CN101084452B - 利用mems在移动电话中改进gps信号处理的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种在卫星定位系统中用在用户移动终端(U)中的接收机(R)，所述卫星定位系统具有卫星星座(S)，所述接收机(R)从卫星捕获与所述移动终端(U)位置相关的数据。MEMS器件(M)被集成到所述接收机(R)，并且适于检测所述移动终端(U)的速度的绝对值

并且随后将所述绝对值提供给所述接收机(R)。还提供了这样的装置，其用于通过所述接收机(R)或为所述接收机(R)，计算与所述移动终端速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的相应值，该值使得有可能捕获与所述用户速度相关的多普勒效应。

Description

利用MEMS在移动电话中改进GPS信号处理的系统和方法

技术领域

本发明涉及移动终端的定位。更具体地，本发明涉及一方面通过使用微机电传感器(以下称为MEMS)捕获处于运动中的移动终端的速度信息，并且将这样捕获的信息用于卫星定位系统中所使用的定位处理操作，从而定位所述移动终端，所述定位处理操作例如根据全球定位系统或伽利略定位系统的处理。

背景技术

在无线通信系统——尤其是移动通信系统——通常可得到的各种服务中，有效定位无线或移动终端的位置最近变得越来越重要。使用术语“移动终端”是为了涵盖广义上的这样的终端：诸如，蜂窝电话系统(例如GSM、GPRS或UMTS)中的任何不同已知类别的终端，在运动中能够建立无线通信的设备(例如，移动计算机或个人数字助理或类似设备)，以及在陆地、空中或海洋(分别例如汽车、飞机或船)上的其他移动对象。

在用于提供定位移动终端的可能性的已知技术中，全球定位系统(以下称GPS)和伽利略定位系统是公知的。在以下描述中，为了简明，仅参考GPS。然而，应注意，本发明并不限于该系统，而是可以等同地用于例如伽利略定位系统的其他卫星定位系统。

非常基本地，GPS使用具有相对于地球的已知坐标的卫星星座。所述卫星中的每一个都可以以广播的形式发射信号，该信号中包含可以用于确定移动终端的位置的信息。为了能够确立所述移动终端的位置，发射的信息实际上是由所述移动终端从各个卫星接收的。由于GRS是移动终端定位应用中的公知技术，因此没有必要进一步详细描述。

但是，在移动终端定位过程中GRS具有某些缺陷。其中的一个缺陷是，不同的大气层可能在发射自卫星的信号中引入波动。另一问题是卫星相对于移动终端的可见性偶尔缺乏。在本领域中，当来自卫星的信号广播可以到达移动终端而不会被传输路径上的任何障碍物阻挡时，就认为“可见性”存在。因此，如果移动终端移到卫星可见性被(例如高建筑物)阻挡的区域，那么信号不能到达该移动终端，于是该移动终端可能没有能力捕获并处理所述数据。与GPS应用相关联的另一缺陷是多普勒效应，其涉及到移动单元所接收信号的频率相对于该信号被发射的初始频率有变化。因此，多普勒效应造成接收信号精确性方面的某些问题，并且因此引起定位处理中的精度不足的风险。

为了克服以上缺陷，已知某些解决方案。通常，这些解决方案被指示使用辅助站，辅助站的位置是固定且已知的，并且能够接收来自卫星的、与其附近的移动终端所接收的信号相同的信号。因此，在所接收信号质量退化的情况下，可以在从所接收信号导出的不精确结果与已知的辅助站的准确位置之间进行比较。从所述比较捕获误差因子，所述误差因子于是被发送给移动终端。于是，也获取并处理相同信号的移动终端，可以在其本身的数据处理中考虑所述误差因子，从而捕获更加精确的结果。

但是，这种类型的解决方案具有这样的缺陷，即增加了移动终端的处理需要，这样占用了移动终端资源的重要部分，于是引起了该终端低效率运行的风险。

减少在移动终端上处理所获数据的负担的已知解决方案是所谓的辅助GPS(或AGPS)。根据AGPS所提供的解决方案，获取与处理卫星所广播的数据的一部分任务由固定的“辅助”单元来执行。根据AGPS所提供的解决方案，辅助单元获取数据，并将数据处理到一定完整水平，否则这要由移动终端来获取和处理。尽管辅助单元与移动终端通常不在相同区域，但辅助单元的确知道移动终端的大致位置，并且能够将其本身从卫星获取的信息与有关移动终端大致位置的信息组合，并且如此加工出有助于被该移动终端处理的部分信息，而该移动终端不必使其自己的资源专用于捕获相同结果。

尽管AGPS系统中的辅助单元在很大程度上减少了移动单元要执行的数据处理量，但还剩有相当大的处理需求要由移动单元来执行。

为了较好地解释减少所述数据处理工作量的需要，在此参考GPS系统中地基本数据处理。GPS数据处理中最复杂地阶段之一是获取阶段。复杂性源自基于扩频技术的GPS信号的属性。获取基于与伪随机噪声码相关的能量的时间(相位)和频率搜索。移动终端使用相关技术来搜索这些频率和相位码。一旦找到了码，就重复该过程以找到进一步的码，直到所有相位和频率码都被搜索和选择出来。码的选择包括积分过程，这是指在全部所获取的数据中对所选频率和相位码的每一组合进行积分的处理。如可以理解的那样，对典型数量的频率和相移的全部搜索和选择过程可以包括大量操作。

频率搜索总是遭受以下多个不精确因素的影响：

●接收机的本地振荡器的不稳定性；

●由卫星造成的多普勒效应；

●由用户移动终端造成的多普勒效应；

如果采用允许如上所述捕获辅助数据的AGPS模式，那么前两个影响基本上可以被消除。

第三个因素，即用户数据中的不精确性，非常不利，这是因为它把不确定性引入频率搜索，而为了信号能量检测必须测试多个频率假定。事实上，即使在使用AGPS模式时，为了捕获从辅助单元提供的辅助数据捕获好的帮助，进行长的相干积分过程——在20ms范围内，是值得做的。这意味着在频率搜索中使用相对很窄的频隙。对于给定的频率偏差，必须对所有频隙进行能量研究，随着隙越来越窄，频隙数量越来越多，也就是说：

隙的数量＝总频率偏差/隙宽

在另一方面，很难具有用户速度的先验信息，以及由此对每一卫星的用户多普勒效应的先验信息，这是因为这需要复杂设备的实现。

在获取过程的典型例子中，卫星速度可以表达为：

${\stackrel{\→}{V}}_s=(V_x,V_y,V_z)|;$ 并且引起的多普勒可以表达为：

其中f₀是中心频率，例如在GPS情况下的1576MHz；

是在用户和卫星之间的一元向量并且c是光速。

在AGPS的情况下，频率搜索的实现已经考虑了卫星多普勒信息。但是，存在着由用户多普勒效应造成的附加偏差。这意味着频率搜索必须考虑信息中的偏差，其归因于用户多普勒效应，用户多普勒效应有以下表达式给出：

其中

是用户速度。

在高灵敏度接收机的情况下，捕获被设计使得相干累积时间(积分)通常大约为20ms。用于搜索的频隙跨度与相干积分值成反比，即：

$\mathrm{\δf}=\frac{1}{2T_{\mathrm{coh}}},$ 其中T_coh是相干积分持续时间值。

因此，对于20ms的积分时间，所用频隙是25Hz。

假设用户接收机正在以100km/hr即约27m/s的速度——例如在汽车中——运动；那么对于低仰角的卫星，由于用户多普勒效应的偏差将约为270Hz。这意味着对于水平运动的接收机，捕获是通过对于处在非常低的仰角的卫星的11个频隙(270用户多普勒/25隙)完成的。

因此，期望提供一种解决方案，根据其可以由移动终端或为移动终端捕获由GPS或AGPS系统中的卫星广播的定位数据，从而使得移动终端资源使用尽可能最小。

发明内容

以上目的通过使用本发明提出的解决方案来实现，根据本发明，可以使用常规MEMS，以便捕获与移动终端速度相关的信息，并且所述信息接着被用于定位数据处理。更具体地说，本发明提出将MEMS用于获得用户速度模量的信息(速度模量(speed module)指的是表示用户速度的向量的绝对值)。

根据本发明，移动终端中的接收机配备有能够提供用户速度模量的简单MEMS。该信息可以比速度本身(三维向量)更容易找到，这是因为它处理速度向量的绝对值，而不处理速度的向量分量的方向。通过这种方式，在捕获阶段，对用户速度的估计将需要较少的捕获操作，并且使得捕获过程更简单。

换句话说，当多个卫星被用户获得时，得知关于这些卫星的多普勒因子。此外，这些卫星的位置也是已知的，因为例如由从辅助单元接收的数据将卫星的位置提供给了接收机。具有了上述信息，创建卫星视线上的速度投射的方程式系统，并且找到速度的向量分量。于是，所获信息被用于计算用户的多普勒效应。例如，如果捕获三个卫星，那么可以有四个方程式，其中三个与这三个卫星的捕获有关，第四个方程式是由速度模量给出的。从这个方程式系统，可以计算出用户速度的向量分量和对该星座的所有其他卫星的多普勒。这使得可以大大降低捕获过程的复杂性。

相应地，本发明的一个目的是提供一种在卫星定位系统中用于用户移动终端的接收机，所述卫星定位系统具有卫星星座，所述接收机适于从卫星捕获与所述移动终端位置相关的数据，所述移动终端进一步包括MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件适于检测所述移动终端的速度的绝对值，并且将该值提供给所述接收机；并且其中所述接收机配备有通过所述接收机或为所述接收机，计算所述移动终端速度的向量分量的相应值的装置。

本发明的另一个目的是提供一种在具有卫星星座的卫星定位系统中由用户移动终端中的接收机捕获数据的方法，所述移动终端进一步包括MEMS器件，所述方法包括从卫星捕获与所述移动终端位置相关的数据，所述方法的特征在于进一步包括以下步骤：

-由所述MEMS检测所述移动终端速度的绝对值并且将其提供给所述接收机；以及

-通过所述接收机或为所述接收机，计算所述移动终端速度的向量分量的相应值。

在以下说明以及权利要求中，将借助附图详细解释本发明的这些以及其他特征。

附图说明

唯一的附图是定位卫星和移动终端的示意性简化表示，其中需要为移动终端执行定位。

具体实施方式

本发明提出使用MEMS器件以便获得移动终端U的速度的绝对值(用户速度)。MEMS器件已为本领域的普通技术人员所熟知。典型的MEMS被制作在硅衬底上，包括可用于感测环境中的不同现象的机械部分，和可用于处理由机械部分的感测活动捕获的信息的电子部分。MEMS的一种已知应用是获得关于所谓的移动对象惯性运动的信息。本发明提出在移动终端中实现的新方案和方法中利用MEMS器件的这个属性，以便在定位系统中减少移动终端中的复杂数据处理。

在该图中，示出卫星S。假定卫星S属于卫星定位系统中的卫星星座，其中为了描述简明未示出所述星座中的其他卫星。卫星S的速度通过速度向量分量V_sx，V_sy，V_sz示出。用户移动终端U在卫星S的视线之内。移动终端U具有接收机R，其用于接收关于移动单元U的定位处理的信息。移动单元的速度由速度向量分量V_ux，V_uy，V_uz来表示。

为了实现本发明所提出的解决方案，第一操作优选地根据卫星仰角选择卫星S并对其分类。这个操作是可选的，但是该选项的优点在于选择具有高仰角的卫星使得捕获过程能够以多普勒相对较低的卫星开始处理。

假设(X_s，Y_s，Z_s)表示用已知方式计算的ECEF基准(ECEF代表地心地固坐标系，这是定位系统中的已知基准)中的卫星位置，所述已知方式例如通过时间近似信息加上卫星星历表或从例如AGPS系统中的辅助单元得到的天文年历或信息。

假设(X_u，Y_u，Z_u)表示用户的大致位置。该位置也可以通过常规技术——例如从先前固定数据或从辅助单元接收——来获知。卫星仰角由以下已知表达式给出：

其中

是在用户和卫星之间的一元向量，且

是用户的位置向量，并且这些因子表示如下：

$\stackrel{\→}{u}=\frac{1}{\sqrt{{(X_s-X_u)}^2+{(Y_s-Y_u)}^2+{(Z_s-Z_u)}^2}}\left|\begin{array}{c}{X}_s-X_u\\ Y_s-Y_u\\ Z_s-Z_u\end{array}\right.$

$\stackrel{\→}{v}=\frac{1}{\sqrt{{X_u}^2+{Y_u}^2+{Z_u}^2}}\left|\begin{array}{c}{X}_s\\ Y_s\\ Z_s\end{array}\right.$

一旦获得每一可见卫星的仰角并且从最高仰角到最低仰角对卫星排序，就可以优选按照与此相同的顺序开始捕获过程。

卫星的速度是 ${\stackrel{\→}{V}}_s=(V_{\mathrm{sx}},V_{\mathrm{sy}},V_{\mathrm{sz}})|,$ 如现有技术中已知的，引入的多普勒表示为：

$\frac{f_0}{c}({\stackrel{\→}{V}}_s.\stackrel{\→}{u}),$

其中f₀是中心频率，在GPS情况下为1576MHz，c是光速。

在捕获过程中，于是可以将卫星多普勒信息考虑到实现频率搜索中，但是还要克服用户多普勒效应的偏差。这意味着频率搜索必须考虑由于用户多普勒效应引起的偏差，所述用户多普勒效应由以下表达式给出：

其中

是用户速度。

如在以上提供的例子中已经提到的那样，在常规系统中，于是需要例如通过11个频隙的捕获过程，涉及实质上很高的计算负担。

根据本发明，接收机配备有MEMS器件M，其能够检测移动终端速度的绝对值(模量)，表示如下：

$\hat{V}=\sqrt{{V_{\mathrm{ux}}}^2+{V_{\mathrm{uy}}}^2+{V_{\mathrm{uz}}}^2}$

这是MEMS器件中的已知属性，并且这是相对简单的操作，因为检测移动终端速度的模量不涉及检测所述速度的向量分量的方向。

然后，所检测到的移动终端U的速度模量被交付给接收机R。

接收机R进一步从移动终端U处于其视线内的卫星捕获数据。为了完成这一步，当已经捕获了卫星i(i为整数，表示在星座中的卫星编号)时，可以估计对卫星的伪范围，并且也可以估计相应的多普勒因子。该多普勒因子与已经在其中从卫星捕获的信号的频隙直接相关。利用以上获得的信息，于是可以写出以下方程式：

$\frac{(X_{s_i}-X_u)}{\sqrt{{(X_{s_i}-X_u)}^2+{(Y_{s_i}-Y_u)}^2{(Z_{s_i}-Z_u)}^2}}{.V}_{\mathrm{ux}}+\frac{(Y_{s_i}-Y_u)}{\sqrt{{(X_{s_i}-X_u)}^2+{(Y_{s_i}-Y_u)}^2{(Z_{s_i}-Z_u)}^2}}{.V}_{\mathrm{uy}}$

$+\frac{(Z_{s_i}-Z_u)}{\sqrt{{(X_{s_i}-X_u)}^2+{(Y_{s_i}-Y_u)}^2{(Z_{s_i}-Z_u)}^2}}.V_{\mathrm{ux}}=\frac{c}{f_0}({\mathrm{SF}}_i-{\stackrel{\→}{V}}_{s_i}.\·{\stackrel{\→}{u}}_i+\frac{\mathrm{\Δf}}{c})$

其中X，Y和Z指的是卫星和移动终端各自的位置，V指的是其各自的速度；

f₀是所接收信号的中心频率，例如对于GPS L1的1576MHz，

是在用户移动终端U和卫星S之间的一元向量，

Δf是接收机R的频率误差。

SF_i是频隙，在所述频隙内已经捕获到卫星。该频隙对应于在移动终端的接收机时钟与卫星收发机时钟之间的频率差。

于是，以上方程式可以按如下的简化形式被重写为：

${\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_i-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{c}{f_0}({\mathrm{SF}}_i-{\stackrel{\→}{V}}_{s_i}.{\stackrel{\→}{u}}_i)$

在这个方程式中，有四个未知量：其中三个是用户速度

的三个向量分量，并且第四个是接收机R的频率误差Δf。

因此，假设已经捕获了三个卫星(1＜i＜3)，并且MEMS器件M能够提供用户速度的模量给接收机R，于是接收机R能够用四个未知量建立四个方程式系统；即：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_1-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=S{F}_1-{\stackrel{\→}{V}}_{S_1}.{\stackrel{\→}{u}}_1\\ {\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_2-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}={\mathrm{SF}}_2-{\stackrel{\→}{V}}_{S_2}.{\stackrel{\→}{u}}_2\\ {\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_3-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}={\mathrm{SF}}_3-{\stackrel{\→}{V}}_{S_3}.{\stackrel{\→}{u}}_3\\ \sqrt{{V_{\mathrm{ux}}}^2+{V_{\mathrm{uy}}}^2+{V_{u_z}}^2}={\hat{V}}_u\end{array}\right.$

其中是MEMS器件所估计的用户速度模量，并且数字1、2和3表示所述三个卫星中的每一个。

上述方程式系统可以用任何已知方法来解，例如用非线性最小二乘准则最小化(梯度，Levenberg Marquardt等……)。

本发明所提供的解决方案的优势在于，解出上述方程式系统后，接收机知道用户的准确速度，并且于是可以捕获其他卫星而无需测试在频隙上的任何偏差。这使得相当大得改进了完成卫星星座捕获过程所需的时间，以及计算用户位置的时间。

应注意，对于捕获到两个卫星的情况所述过程可以被进一步优化。这可以是在垂直速度为空的应用的情况，例如移动终端在行驶在平地上的汽车中，在步行者身上，在处于航途中的飞机中，等等。在这种情况下，可以通过将用户速度的第三个分量设置为零来使用上述方法，这样方程式系统变为例如以下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_1-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}={\mathrm{SF}}_1-{\stackrel{\→}{V}}_{S_1}.{\stackrel{\→}{u}}_1\\ {\stackrel{\→}{V}}_u.{\stackrel{\→}{u}}_2-\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}={\mathrm{SF}}_2-{\stackrel{\→}{V}}_{S_2}.{\stackrel{\→}{u}}_2\\ {\stackrel{\→}{V}}_u.\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]=0\\ \sqrt{{V_{\mathrm{ux}}}^2+{V_{\mathrm{uy}}}^2+{V_{\mathrm{uz}}}^2}={\hat{V}}_u\end{array}\right.$

在上述可选方案的任一个中，或者在捕获到多于三个卫星的情况下，一旦找到了用户的速度向量分量，就因此找到了全面速度。利用该信息，于是有可能预测对应于另一卫星的相应频隙。这可以通过以下关系来完成：

${\mathrm{SF}}_i=f_0+\mathrm{\Δf}+\frac{f_0}{c}({\stackrel{\→}{V}}_{s_i}+{\stackrel{\→}{V}}_u).\stackrel{\→}{u}$

在优选实施例的以上例子中，假定一旦用户速度的向量模量被提供给接收机，就由接收机完成对所述速度向量分量的后续计算。但是，应注意，这个例子并不是对本发明的限制，并且本发明的范围也涵盖所述后续计算操作在辅助单元中——而不限于在接收机本身中——处理的情况，并且为接收机执行所述操作。

本发明提出的解决方案具有重要优势，即通过获取用户移动终端U的正确速度分量，并且利用卫星速度的已知信息，接收机可以减少对于所见的所有其他卫星的准确频隙。通过这样的方式，接收机需要仅测试一个频隙，而不用测试以上有关常规方法所述的11个频隙。这使得复杂性大大降低。

Claims (9)

1.一种在卫星定位系统中用在用户移动终端(U)中的接收机(R)，所述卫星定位系统具有卫星星座(S)，所述接收机(R)适于从卫星捕获与所述移动终端(U)位置相关的数据，其特征在于，所述接收机配备有基于从捕获至少两个卫星而获得的信息计算所述移动终端速度的装置，其中计算所述移动终端速度的所述装置包括MEMS器件(M)，所述MEMS器件适于检测所述移动终端(U)的速度的绝对值 

并且将所述绝对值提供给所述接收机(R)；其特征还在于，所述接收机(R)配备有通过所述接收机(R)或为所述接收机(R)计算所述移动终端速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的相应值的装置。

2.根据权利要求1的接收机，包括：基于所述用户移动终端(U)的速度，推断与所述星座的其他卫星相关的用户多普勒信息的装置，以便能够利用所述多普勒信息捕获来自所述其他卫星的信号。

3.根据权利要求1的接收机，其中使用关于所述移动终端速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的信息，以便捕获与所述移动终端(U)相关的多普勒效应值。

4.根据权利要求1的接收机，其中关于所述移动终端速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的信息是从以下方程式系统获得的：

其中i是大于1的整数；

f₀是从所述卫星接收的信号的中心频率；

是在所述用户移动终端(U)和所述卫星(S)之间的一元向量；

Δf是所述接收机(R)的频率误差；

SF_i是频隙，在所述频隙内已经捕获到卫星；

c是光速；以及

是所述用户移动终端(U)的速度。

5.一种在卫星定位系统中由用户移动终端(U)捕获卫星数据的方法， 所述卫星定位系统具有卫星星座(S)，所述方法包括：

-捕获至少两个卫星(S)；

-基于用所述两个卫星信号得到的信息，借助于MEMS器件(M)，获得所述移动终端(U)速度的绝对值 

-利用所述用户移动终端(U)速度，推断与所述星座的其他卫星相关的用户多普勒信息；以及

-利用所述用户多普勒信息，捕获所述星座中的其他卫星的信号。

6.根据权利要求5的方法，其中所述移动终端(U)速度的绝对值被用于获得所述用户移动终端(U)速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的相应值。

7.根据权利要求6的方法，包括利用关于所述移动终端(U)速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的信息来获得与所述移动终端(U)相关的多普勒效应值的步骤。

8.根据权利要求7的方法，其中关于所述移动终端(U)速度的向量分量(V_ux，V_uy，V_uz)的信息是从以下方程式系统获得的：

其中i是大于1的整数；

f₀是从所述卫星接收的信号的中心频率；

是在所述用户移动终端(U)和所述卫星(S)之间的一元向量；

Δf是所述接收机(R)的频率误差；

SF_i是频隙，在所述频隙内已经捕获到卫星；

C是光速；以及

是所述用户移动终端(U)的速度。

9.根据权利要求5的方法，其中在所述捕获至少两个卫星的步骤之前，执行以下步骤：

-获得相对于所述移动终端可见的卫星(S)的仰角；

-根据所述卫星的仰角对所述卫星(S)分类；

-以具有最大仰角值的卫星开始所述捕获过程。