CN101099089A - 用于在接收定位信号时增加相干积分长度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于在接收来自例如GPS卫星的发射器的定位信号时增加相干积分长度的接收方法和设备。为了补偿所述定位信号中可能发生的频率漂移，关于所述频率漂移作出假设，所述假设被插入接收算法中。有利地，可以减少不相干积分的长度为代价同时保持总积分长度不变来增加相干积分的长度，其净作用是增加信号检测灵敏度。频率漂移假设具有任意适当的波形；例如，近似于线性或指数形式。可将所述假设的频率漂移插入所述接收器算法内任意合适的位置；例如，可针对所述假设的频率漂移调节数据块，或者可调节参考信号，或可调节所述数据块或所述参考信号的频率样本。

Description

用于在接收定位信号时增加相干积分长度的方法和设备
技术领域
本发明涉及通过使用无线定位信号来计算移动装置的位置的设备和方法，例如GPS系统。
背景技术
不仅对于海上船只或边远地区的探险者来说，而且对于在日常生活中使用手机的任何人来说，位置定位装置都变得越来越普及。与个人位置定位装置的普及相关的手机数目增加已促进用于获取用以确定位置的信号的快速、高灵敏度方法的开发。
位置定位技术通常利用从已知位置同时发射的无线定位信号。在GPS系统中，这些定位信号在已知时间以预定义频率从多种卫星同时发射。在地面上，GPS接收器从其天空视角内的每一卫星获取定位信号。定位信号到达的时间以及视角内卫星的准确位置和信号从每一卫星发射的准确时间用于对GPS接收器的位置进行三角测量。
定位信号(且尤其是GPS信号)包括高速率重复信号或“代码”，称为伪随机(PN)序列。可用于民用的代码称为C/A代码，且具有1.023MHz的二进制相位反转速率或“修整(chipping)”速率，和对于1毫秒的代码周期有1023个码片的重复周期。GPS系统中的伪随机序列属于称为“金色码”的族群。每一GPS卫星以其唯一的金色码用载波频率同时广播信号。
在接收器处，观察处于载波频率的电磁能，且此观察到的能量经处理以搜索来自可能在视场中的任何GPS卫星的信号的可能存在。在接收器进行观察时，特定GPS代码和相位延迟是未知的。接收器的目的是在观察到的能量中识别关于载波频率的GPS代码，并确定每一识别的GPS代码的相位延迟。然而，因为GPS代码和相位延迟初始是未知的，所以通常采用如下方法：假设第一GPS代码且接着依次测试许多相位假定，直到已经识别GPS信号或确定GPS信号不存在为止。接着对可能在视场中的每一其它GPS卫星重复此过程。
由于许多因素的原因，从GPS卫星接收定位信号可能比较难。举例来说，GPS信号是以相对较低的功率且从较远距离发射的。当GPS信号从地球轨道行进到接收器时，其初始低功率已显著减小，使得信号在接收器处极其微弱。
另一问题涉及可能影响定位信号中的一者或一者以上的频率误差。举例来说，由于多普勒效应的原因，载波频率可能随着时间而略微移位。在接收器中，振荡器和接收并处理信号的其它电子装置可在频率中引入误差(例如，略微移位)，这可使接收变复杂。如果频率移位是恒定的，那么可使用傅立叶变换(例如，FFT)方法；然而，当此频率移位随着时间变化时导致进一步的复杂性；即，当频率移位并非随着观察时间(数据块)恒定时。为了处理时变频率误差的问题，通常将用于相干处理的数据块的长度(相干长度)限于一秒钟的若干分之几(例如，20毫秒)；否则，频率误差可能使系统灵敏度显著降级。为了在可能存在频率移位时增加系统灵敏度，可在许多时间周期(例如，五到二十个)中完成许多连续相干处理操作，且将结果以非相干方式加在一起以提供对一秒或一秒以上的周期中的信号的指示。如果存在可在较长时间周期中执行单个相干处理操作的可用系统，即，如果可显著增加相干积分长度，那么这将是个显著的优点。
发明内容
本文描述一种用于增加用于接收和处理以预定频率从多个发射器发射的一个或一个以上定位信号的相干积分长度的方法和设备，所述定位信号用于确定接收器的位置。每一定位信号包含唯一地识别发射所述信号的发射器的周期性重复序列。
为了补偿在接收器中进行观察和处理之后定位信号中可能发生的频率漂移，关于频率漂移作出一个或一个以上假设，在一个实施例中，所述假设接着与观察到的数据组合并被处理。这允许较长的相干积分长度，其可显著减少处理时间和/或提供更精确的结果。具体来说，通过在信号处理中应用频率漂移假设，可以减少不相干积分的长度为代价同时保持总积分长度不变来增加相干积分的长度，其净作用是信号检测灵敏度的增加。
明确地说，揭示一种方法和设备，其利用长相干积分周期来接收以预定载波频率从多个发射器中的一者发射的定位信号。所述定位信号包含唯一地识别发送所述定位信号的发射器的参考信号。所述方法包括：在接收器处，观察处于大约所述载波频率的电磁能量，并存储指示所述观察到的电磁能量的数据。在预定义时段中观察所述数据，以界定可能经受未知频率漂移的数据块。假设发射器中的一者，借此假设所述多个唯一参考信号中的一者。假设频率漂移，且响应于所述假设的频率漂移，接收器在多个相移上搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。如果找到匹配的信号，那么接收器就确定相位延迟和计时信息，否则接收器就重复循环先前的步骤，直到找到匹配的信号为止，或直到已满足预定的退出标准为止。
假设的频率漂移具有任意适当的信号形式；例如，假设的频率漂移可近似为线性或近似为指数形式，或者更复杂。可将所述假设的频率漂移实施到接收器算法内的任意合适的位置；例如，所述方法可包含响应于所述假设的频率漂移处理所述数据块，以提供经漂移调节的数据信号；和搜索所述经漂移调节的数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。或者，所述方法可包含响应于所述假设的频率漂移处理所述假设的参考信号，以提供经漂移调节的参考信号，和搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。
接收方法可包含响应于数据块而计算频率样本，响应于参考信号而计算频率样本，和搜索所述数据块与所述参考信号的频率样本之间的匹配。在此实施例中，所述方法可进一步包括响应于所述假设的频率漂移而调节所述数据块频率样本和所述周期性重复序列中的至少一者的向量基。
有利地，所揭示的方法允许较长的相干积分周期，借此使用比常规接收器方法更长的数据块。举例来说，所述数据块可具有在参考信号的一百到五百次重复范围内或在一百毫秒到一秒的范围内的尺寸。然而，可能更有利的是，以更短的相干积分周期(例如，十到一百毫秒)利用所揭示的方法。
在一个实施例中，发射器包括以GPS频率发射GPS信号的多个GPS卫星，每一GPS卫星发射唯一的周期性重复序列。找到接收器处信号的代码相位偏移，且通过使用来自许多发射器的此信息，可使用GPS算法确定接收器的位置。
可在接收器和/或无线网络中的一个或一个以上服务器上以合适的硬件和/或软件实施上述方法。举例来说，某些功能可实施在接收器中，且某些功能可实施在位置确定实体(PDE)中。
附图说明
为了更完全地理解本发明，现参照附图中说明的实施例的以下实施方式，附图中：
图1是包含发射GPS信号的卫星的通信与位置定位系统的透视图，所述GPS信号由与多个基站通信的移动站中的GPS接收器接收；
图2是包含GPS接收器和蜂窝式通信系统的移动站的一个实施例的方框图；
图3是说明GPS定位信号的结构和波形分量的图；
图4是处理接收到的信号并使其相关以确定是否存在GPS定位信号的GPS接收器部分的功能方框图；
图5是说明频率漂移的许多实例的频率漂移与时间的曲线图；
图6是包含响应于假设的频率漂移而调节数据块的用于接收定位信号的方法的流程图；和
图7是响应于假设的频率漂移而接收定位信号的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述内容中参看图式描述本发明，图中相似数字表示相同或类似元件。
本文讨论的FFT和DFT算法用于说明产生频率样本的算法的实例。更一般来说，产生适当频率样本的任何适当算法可用作对FFT和DFT算法的替代。举例来说，可使用类似DFT的算法产生频率样本，在所述算法中频域样本的数目和间隔并不准确为DFT的频域样本的数目和间隔；即，可计算更多或更少的频率样本，且频域样本之间的间隔可能比标准DFT操作的频域样本之间的间隔窄。可从数字或模拟数据、从观察到的数据或从先前计算的值中产生频率样本。接着将计算出的频率样本用于后续操作。
术语和缩写词的词汇表
在整个具体实施方式中使用以下术语和缩写词：
A-GPS：辅助GPS。一种定位技术，其中定位服务器对GPS获取过程提供特殊辅助，这可减少获取时间并改进灵敏度。
基站或BTS：基收发器站。用于与移动站通信的固定站。包括用于发射和接收无线通信信号的天线。
CDMA：码分多址。高容量数字无线技术，其较前沿且商业上由QUALCOMMTM公司开发。
码片：符号，也是伪随机(PN)序列的调制(例如，相位反转)的最小部分。
码片速率：符号传输速率。
代码相位：接收的GPS信号内含有的接收的PN序列的帧边界与局部产生的PN参考序列的帧边界之间的相对计时。代码相位通常是在零与一个PN帧的持续时间(即，民用GPS信号中为一毫秒)之间的数。可将代码相位视为由用于确定位置的接收器提取的计时信息。
相干处理：将数据块作为整体来处理的技术，通常不使用非线性(例如，检测或组合)操作。
相关：将接收的信号与参考代码进行比较的过程。相关操作包括相干处理，且也可包括非相干处理。将任何相关过程(相干或非相干)的输出称为“相关输出”。
检测：通过使用非线性操作(通常为量值或量值平方操作)来确定每一数据样本中的功率来对一组样本进行操作的过程。举例来说，如果以同相和正交(I-Q)分量格式或以同相分量与数据字的实数分量相关联且正交分量与虚数分量相关联的“复合”格式来表现每一数据样本，那么检测过程可计算量值或量值平方。在一种情况下，量值平方操作是与复数相关联的标准操作。
DFT：离散傅立叶变换。
FFT：快速傅立叶变换。一种用于计算有限持续时间序列的DFT的有效技术。应注意，通过DFT或FFT算法构造的频率样本相同，且我们可以可交替地使用术语“DFT数据”和“FFT数据”。
GPS：全球定位系统。一种利用到GPS卫星的距离测量来确定三维位置(包括海拔高度)的技术。尽管术语GPS常用于指代美国全球定位系统，但此术语的含义包括其它全球定位系统，例如俄罗斯Glonass系统和计划的欧洲Galileo系统。在某些系统中，使用术语卫星定位系统(SPS)代替GPS术语。出于说明性目的，本文根据当前美国GPS系统来描述本发明。然而，所属领域的技术人员应明了，本发明可应用于利用类似信令格式的多种SPS系统以及应用于美国GPS系统的未来变体。
GPS定位：测量和后续计算的过程的最终结果，通过其确定GPS用户的位置。
GSM：全球移动系统，另一种广泛使用的数字无线技术。
非相干处理：为了(例如)改进信噪比的原因，通过执行非线性检测操作，随后执行组合操作来组合若干相邻的经相干处理的数据集。举例来说，非相干处理可包括检测和组合(例如，求和)来自多个相邻数据块的相关输出。
MS：移动站，例如具有用于与一个或一个以上基站通信的基带调制解调器和位置定位能力的手机。本揭示案中引用的MS通常包括GPS接收器。
PDE：位置确定实体。通常处于CDMA网络内的系统资源(例如，服务器)，与一个或一个以上GPS参考接收器结合而工作，能够与MS交换关于GPS的信息。在MS辅助的A-GPS会话中，PDE可向MS发送GPS辅助数据来增强信号获取过程。MS可向PDE返回例如伪距测量的信息，PDE接着能够计算MS的位置。在基于MS的A-GPS会话中，MS可向PDE发送计算出的位置结果。
伪距测量：由GPS接收器采用且基于信号处理技术来确定接收器与选定卫星之间的距离估计值的过程。根据从SV到接收器的信号传输时间来测量所述距离。
SV：人造卫星。全球定位系统的一个主要元件是绕地球轨道运行并广播唯一可识别信号的SV组。
UMTS：通用移动电话服务：设计为GSM的继承者的利用CDMA形式的第三代蜂窝式标准。
GPS系统和移动站的概述
现参看图1和2。图1说明GPS环境，其包括发射GPS定位信号12的多个GPS卫星(SV)11、多个基于陆地的基站10，和移动站(MS)14。基站10连接到蜂窝式基础结构网络15，基础结构网络15允许基站10与其它网络和通信系统(例如，电话系统16、例如因特网的计算机网络17a和其它通信系统17b)通信。因此，基站10可包含通信网络的一部分，所述通信网络可包括与基站通信的许多额外的通信系统。
MS 14在本文中的其它部分(例如参看图2)进行了描述，但通常包括GPS接收器和用于使用双向通信信号20与基站通信的双向通信系统。应明了，可用与一个或一个以上基站通信的各种各样的移动站(除手机之外)来实施GPS接收器。此外，本文为了便于描述，本文揭示的位置定位系统可为GPS系统；应认识到，可在任何基于卫星的定位系统中实施本文描述的系统。
在图1中，说明一持有MS 14的步行用户13。举例来说，用户可能站立、行走、在汽车中前进或在公共运输中。应明了，移动站可定位在各种各样的环境中，且可为静止的或移动的。
GPS卫星(SV)11包含广播用于定位GPS接收器的信号的任何卫星群组。具体来说，卫星经同步以发送定相到GPS时间的无线定位信号12。这些定位信号以预定频率且以预定格式产生。在当前GPS实施方案中，每一SV以根据GPS标准的格式在L1频带(1575.42MHz)上发射民用类型的GPS信号。当MS中的常规GPS接收器检测到GPS信号时，GPS系统尝试计算从GPS信号的传输直到在MS处接收所逝去的时间量。换句话说，GPS系统计算GPS信号中的每一者从其个别卫星行进到GPS接收器所需的时间。将伪距定义为：c·(Tuser-Tsv)+cTbias，其中c为光速，Tuser为当接收到来自给定SV的信号时的GPS时间，Tsv为当卫星发射信号时的GPS时间，且Tbias为本地用户的时钟的误差，其通常存在于GPS接收器中。有时在省略常数“c”的情况下定义伪距。在一般情况下，接收器需要对四个未知数进行求解：X、Y、Z(接收器天线的坐标)和Tbias。对于这种一般情况，对四个未知数进行求解通常需要来自四个不同SV的测量；然而在某些情况下，可放松此限制。举例来说，如果准确的海拔高度估计值可用，那么所需的SV的数目可从四减少到三。在所谓的辅助GPS操作中，Tsv不一定可用于接收器且代替处理真实伪距，接收器主要依赖于代码相位。在当前GPS实施方案中，由于PN码每一毫秒均重复，因此代码相位具有一毫秒的时间不定性。有时数据位边界可能确定，因此产生仅20毫秒不定性。
基站10包含用作使用无线信号20与MS 14通信的通信网络的一部分的基站的任何集合。基站连接到蜂窝式基础结构网络15，基础结构网络15提供与例如公共电话系统16、例如因特网的计算机网络17a、位置确定实体(PDE)18(上文定义)和方框17b中共同展示的多种其它通信系统的多个其它通信网络的通信服务。可能在基站10中或靠近基站10或在任何其它合适位置的GPS参考接收器(或多个接收器)19与PDE 18通信，以提供确定位置时有用的信息，例如SV位置(星历)信息。
基于地面的蜂窝式基础结构网络15通常提供允许手机用户通过电话系统16连接到另一电话的通信服务；然而基站也可用于与其它装置通信和/或用于其它通信目的，例如与手持个人数字助理(PDA)的因特网连接。在一个实施例中，基站10是GSM通信网络的一部分；然而，在其它实施例中，可使用其它类型的同步(例如，CDMA2000)或异步通信网络。
图2是移动装置14的一个实施例的方框图，移动装置14包括通信和位置定位系统。蜂窝式通信系统22连接到天线21，天线21使用蜂窝式信号20进行通信。蜂窝式通信系统22包含合适的装置，例如调制解调器23、硬件、和用于与基站通信和/或从基站检测信号20并处理发射或接收的信息的软件。
MS中的GPS位置定位系统27连接到GPS天线28，以接收以理想的GPS(载波)频率发射或接近该频率发射的定位信号12。GPS系统27包含包括频率转换电路和模拟-数字转换器的GPS接收器29、GPS时钟、用于控制GPS接收器的所需功能的控制逻辑、和用于接收与处理GPS信号及用于执行使用任何合适的位置定位算法确定位置所必需的任何计算的任何合适的硬件和软件。在所说明的实施例中，模拟-数字转换器连接到位置定位系统中的缓冲存储器，且缓冲存储器耦合到DFT电路以在DFT操作期间提供和存储数据。在某些辅助GPS实施方案中，基于从GPS接收器发送到远程服务器的代码相位和其它信息，在远程服务器处执行最终的位置定位计算(例如，纬度和经度)。Norman F.Krasner的第5,841,396、6,002,363和6,421,002号美国专利中揭示了GPS系统的一些实例。
GPS时钟旨在维持准确的GPS时间；然而，由于最经常的情况是在定位之前准确的时间不可用，因此习惯做法是通过其估计值和与所述值相关联的不确定度来维持GPS时钟软件中的时间。可注意到，在准确的GPS定位之后，通常将精确地知道GPS时间(在当前GPS实施方案中在几十纳秒不确定度内)。然而，当在远程服务器处完成最终位置定位计算时，精确时间可能仅在服务器处可用。
移动装置控制系统25连接到双向通信系统22和位置定位系统27。移动装置控制系统25包括任何适当的结构，例如一个或一个以上微处理器、存储器、其它硬件、固件和软件，以为其所连接的系统提供适当控制功能。应明了，使用经受微处理器控制的硬件、软件和/或固件以任何合适方式来实施本文描述的处理步骤。
控制系统25也连接到用户接口26，用户接口26包括与用户介接的任何合适组件，例如键区、用于语音通信服务的麦克风/扬声器，和显示器(例如，背光LCD显示器)。连接到位置定位系统27和双向通信系统22的移动装置控制系统25和用户接口26为GPS接收器和双向通信系统提供合适的输入-输出功能，例如控制用户输入和显示结果。
GSP信号描述
参看图3，其为表现等式(A1)中描述的理想GPS信号的结构的图。GPS信号的功能形式可在任何时间t表示如下：
s ( t ) = Ad ( t ) P ( t ) e j 2 π ∫ w r ( t ) dt + φ - - - ( A 1 )
其中A是信号振幅，d(t)是调制载波(例如，通过双相位调制)的相对较低速率(例如，50波特)数据序列，P(t)是由重复的PN序列F(t)组成的波形，□是载波相位，且wr(t)是瞬时接收到的载波频率：
wr(t)＝we(t)+wc    (A2)
其中we(t)是瞬时频率误差(频率漂移)，且wc是标称载波频率。
可注意到，等式(A1)是复数表示法，其在利用正交采样方法处理信号时可能有用；当然可视需要使用其它表示法。在现实情形中应认识到，各个参数不是完全稳定的。
如图3所示，GPS信号包括展示于35处的一系列PN帧，每一帧包含根据特定伪噪声(或“PN”)序列和载波频率37而经双相位调制的波形F(t)36。将F(t)的个别重复称为“PN帧”。每一PN帧具有预定的周期Tr。在38处，数据序列d(t)的数据转变图示为发生在所说明的PN帧之一的开始处；然而，因为数据序列d(t)具有相对较低的速率，所以数据转变38将每20个PN帧仅发生一次，且因此数据转变可能或可能不发生在任选的PN帧的开始处。
每一GPS卫星(SV)发射在36处展示的唯一的PN波形F(t)，其为以预定速率发射的一系列符号(码片)。PN波形通过用于对载波进行双相位调制的特定PN序列而彼此区分。举例来说，从美国GPS系统的C/A波形中的一组金色代码中选择这些序列。在以下描述中，术语“PN序列”可用于F(t)，其并非严格正确的，因为PN序列实际上是用于构造载波的调制信号因此产生波形F(t)的数字序列。然而，从上下文中将了解，以此方式使用的“PN序列”意味着由PN序列调制的波形。
在一个实例中，芯片速率是1.023MHz，且因此PN帧速率将为1kHz。此波形F(t)连续重复；例如来自第一卫星SV1的第一代码重复发射唯一序列F1(t)，SV2重复发射唯一PN序列F2(t)，以此类推。用可能在视场中的所有GPS卫星的唯一PN序列对GPS接收器进行编程。
这些PN序列在一算法中使用以识别特定的卫星；特定来说，当GPS接收器中接收到卫星信号时，PN序列用于识别发射所接收的信号的卫星。然而，一开始，GPS接收器并不知道实际接收到的代码相位出现时间，所述代码相位出现时间如上所述可能在完整的PN帧(例如，一毫秒或1023个码片的周期)范围内。因此，接收器必须在出现时间不确定范围中搜索(以串行或并行方式)以尝试使接收到的GPS帧的出现时间与局部产生的参考帧的出现时间对准。
GPS定位信号的接收器
现参看图4，图4是GPS接收器的一部分的功能图，所述部分处理接收到的信号并使其相关以确定是否存在GPS信号。
在40处展示观察到的数据。首先应注意，在实际的GPS环境中，GPS接收器同时接收类似于等式(A1)中指定的理论信号的多个信号，每一信号具有唯一的PN序列F(t)。举例来说，在典型的情形中，GPS接收器通常在任意时间从多种视场中卫星接收八到十二个信号，且各个参数由于(例如)不同的路径长度、到达方向和多普勒频移的缘故而彼此不同。因此“观察到的数据”可能包含来自所有视场中卫星的信息。出于说明的目的，以下揭示内容讨论处理观察到的数据以搜索来自选定卫星的信号；应了解，处理可能在视场中的其它卫星的观察到的数据将以类似方式进行。
接着在41处例如通过适当的频率转换系统处理观察到的数据，以取用观察到的数据并例如通过降频转换将其转换到适当频率。视需要，可使用模拟/数字转换器42将经频率转换的输出转换为用于后续处理的数字形式。当然，如果信号已经转换为数字格式，那么将不需要此A/D转换器42。接着将来自A/D转换器42的信号施加到处理箱43，在该处所述信号例如通过乘法与频率漂移假设的波形组合。
在GPS信号到达接收器且已在接收器中经受处理之后，频率可能已从其原始值漂移。由于来自SV运动和MS运动的多普勒效应的缘故，甚至在信号到达接收器之前就可能导致频率漂移。而且，例如由温度改变引起的MS本机振荡器中的微小误差也可导致载波频率从其理想频率变化。此频率漂移可能随时间变化；也就是说，在正观察数据的时间期间频率漂移可能改变。通常，频率漂移的量对接收器来说是未知的。
为了补偿未知的频率漂移，在44处进行频率漂移假设。预测的由于发射器/卫星的径向加速引起的频率漂移(即，预测的卫星多普勒变化)可能或可能不会包含在频率漂移假设中。假设的频率漂移通常遵从以下形式：
假设的频率漂移＝wh  (A3)
现参看图5，图5是展示频率漂移的许多实例的频率漂移与时间的曲线图。应了解，所说明的假设仅仅是实例，且假设的频率漂移可具有多种形式。一个实例是在51处展示的恒定的频率漂移。另一实例是在52处展示的频率漂移的负线性变化速率(例如，-2Hz/秒)。另一实例是在53处展示的频率漂移的指数变化速率。另外其它实例是在54和55处展示的频率漂移的正线性变化速率(例如，1Hz/秒和2Hz/秒)。其它实例是在56和57处展示的曲线。应了解，无限数目的函数可用于频率漂移假设；然而例如线性变化速率(正或负)的简单假设实施起来可能较简单。而且，通常实际信号的频率漂移的速率是渐进的(例如，小于3Hz/秒)，且因此所述范围内的频率漂移假设将可能改进接收。应注意，预测的由于发射器/卫星的径向加速引起的频率漂移(即，预测的卫星多普勒变化)可能或可能不会包含在频率漂移假设中。如果卫星多普勒变化不包含在频率漂移假设中，那么可单独对其进行补偿。
频率假设可以任何适当形式存储。举例来说，频率假设可以数字形式作为波形存储在存储器中。或者，其可以模拟形式存储。
再次参看图4，将44处的频率假设施加于A/D转换器45(视需要)，且接着通过适当方法与来自A/D转换器42的数据组合，以提供经漂移调节的信号。对于许多用途来说，乘法运算将适合于组合两个信号。在某些实施例中，可在位置定位系统的其它部分中实施假设的频率漂移；举例来说，假设的频率漂移可用于调节参考代码而不是收集的数据。由于参考代码和数据相关地一起使用，因此调节参考代码的净作用将类似于本文说明的调节数据的作用。在又一实施例中，假设的频率漂移可用于调节后续FFT运算的向量基，或修改FFT运算的输入或输出或两者。预测的由于发射器/卫星的运动引起的频率漂移(即，预测的卫星多普勒变化)可包含在假设的频率漂移中，或者其可单独施加。在后一种情况中，可在算法中与针对其它频率漂移的调节相同的位置处或在某个其它位置处插入针对卫星多普勒的调节。
接着将经漂移调节的信号施加到相关系统46，所述相关系统46响应于经漂移调节的信号而搜索与选定的定位信号和相位延迟的匹配。出于说明目的而提供图4所示的特定相关系统46，其它实施例在适当和/或可用时可采用其它相关系统。明确地说，在图4中，相关系统46包含并行操作以实现较快的处理时间的许多处理分支。然而，实际上，针对所有可能PR移位的分支的成本通常并不由于时间节省而证明是合理的，且通常如在循环中一样以串行方式执行操作。
相关系统
通常，为了接收来自GPS卫星的定位信号，将观察到的信号与特定GPS代码和相位的参考代码相关。举例来说，相关接收器可将接收到的信号乘以含有包含在其局部存储器内的适当金色代码的存储的复制物的局部产生的参考代码，且接着对乘积进行积分(例如，低通滤波)以便获得信号存在的指示。将此过程称为相干处理。
在图4中，相关系统46包含第一相关器47a，其接收经漂移调节的信号和第一导频参考(PR)信号两者。将经相关的信号施加到傅立叶变换方框48，且接着执行检测操作49以提供可比较的量值。第二相关器47b也接收经漂移调节的信号，但接收第二PR信号，所述第二PR信号已从第一PR信号进行了同相移位。在48b处执行FFT，且在49b处执行检测操作，使得量值现在可用。同样，针对第三、第四、第五PR信号等执行相关以获得所有可能的相移。接着，从这些结果中选择最大值，且如果此最大值充分大于其它结果(由预定标准决定)，那么可将其选择为匹配，且指示相位延迟(即，在习惯术语中，其将指示□□。)
在某些相关系统中，检测(例如，确定其量值)并组合多个连续相干处理操作的结果，以便提供具有较高保真度的相关输出。初始的相关操作称为“相干处理”且后面的组合步骤称为“非相干”或“不相干”处理。在本文定义的系统预期的较长相干处理时间的情况下，可能不必执行不相干处理，但在某些情况下不相干处理可能是有用或合乎需要的。有利地，由本文揭示的系统提供的较长相干长度可减少实现所需灵敏度所需的非相干积分的次数。在50处，实施可选的系统以进行“斩波”；即，对相关的结果进行斩波，且经斩波的片(时间周期)进入FFT系统中。在此情况下，49a处的检测操作包含求FFT结果的平方和在时间周期上对其进行非相干求和。
相关系统的概述
通过相对于接收的信号按顺序重新调节此存储的复制品的相对时序，并观察相关输出，接收器可确定接收的信号与本机时钟之间的时间延迟。以代码周期(例如，1毫秒)为模的此时间延迟称为“代码相位”。对此输出的存在的初始确定称为“获取”。在某些GPS接收器中，一旦发生获取，那么过程就进入“跟踪”阶段，在所述阶段中少量调节本机参考的时序，以便维持高相关输出。可将跟踪阶段期间的相关输出视为移除了伪随机代码的GPS信号，或以通常术语表述为“解展频”。此信号是窄带的，其中带宽相当于叠加在GPS波形上的50位每秒(bps)二进制相移键控数据信号。
方法
图6是展示在移动站中执行的旨在处理定位信号以识别其是否与选择频率漂移、识别发射器的重复代码和载波频率偏移的假设匹配的一系列步骤的流程图。如将描述，算法作出频率漂移假设，其选择发射器(例如，GPS卫星或基站)且其可检查所有可能的代码相位偏移(例如，GPS的1023个偏移)以尝试找出选定GPS代码的代码相位偏移匹配。接着针对许多频率漂移假设而重复相干处理算法，且接着再次针对可由移动站观看到的每一GPS代码而重复相干处理算法。
观察数据(61)
图6中在61处，指示观察处于GPS定位信号的大约载波频率的电磁(EM)能量的操作。在至少与块周期Tc一样长的时段内连续观察GPS信号(如果存在)。在本文中其它部分(例如，参看图6)讨论GPS信号的形式。
处理观察到的数据(62)
再次参看图6，在62处，视需要处理观察到的数据。可通过在接收到数据时例如以逐个芯片为基础对数据进行处理来“实时”完成处理，或者可缓冲数据并接着将其作为集合一起处理。处理可包含通过合适的频率变换电路从GPS信号中移除载波频率，从而留下残余频率fe。为了移除载波频率，通常首先通过混频器将GPS信号转换为中频(IF)。接着处理经转换的GPS信号，以通过任何合适的模拟或数字技术将剩余的IF分量减少到近似为零；举例来说，可通过另一混频器近似移除IF频率，或者在模拟-数字转换器中将GPS转换为数字信号之后，可使用数字处理混频技术。这可以此项技术中众所周知的方式(例如)用常规的本机振荡器和混频器来完成。另外，尽管可在数字化之前移除载波频率，但可能仅可移除大部分载波频率，且信号在数字化之前处于转换到低IF频率(比如，fIF+fe)的频率。在数字化操作之后，通常借助于数字信号处理方法来移除IF频率fIF。所属领域的技术人员应了解对信号处理的其它变化。
在辅助GPS系统中，可将针对所有GPS信号的预测的多普勒校正从PDE发射(以一种形式或另一种形式)到GPS接收器，且还将可能在视场中的GPS卫星的列表发送到接收器，使得GPS接收器可更有效地搜索卫星信号。也可由PDE提供预测的数据流。
在62处，视需要移除数据序列。尽管是可选的，但在处理之前移除数据序列d(t)可能非常有用。为了辅助数据序列移除，在某些辅助GPS系统中，将预测的数据序列d(t)连同GPS信号的某些近似到达时间一起发送(例如，从服务器)到GPS接收器。在这些情况下，GPS接收器可移除数据序列d(t)，且因此移除在等式(A1)的信号中由于数据序列d(t)而引起的可能每隔二十毫秒发生的伪随机极性反转。通过移除随机极性反转(即，通过移除d(t))，可将相干处理时间增加到较长的时间间隔，例如大于100毫秒，这可改进GPS获取过程的灵敏度。如先前指示，某些未来模式的GPS可能含有不含数据的信令分量。
同样在62处，在模拟-数字转换器中在预定的时间周期内数字化(即，采样)经处理的GPS信号(如果其先前未经转换)，且接着将其存储在GPS接收器中的缓冲存储器中。对数据集的尺寸或数据的采样速率理论上没有限制，但数据集尺寸为2的幂有时是有益的。
提供数据块(33)
在63处，通过选择对应于预定相干处理周期Tc内数字数据(例如，原始或经处理的数据)的一部分的采样时间周期Tc来界定用于相干处理的数据块。组合数据以进行相干处理的时间周期通常选择为包含大量的整数数目的PN帧(例如，100个PN帧)；有利地，由于假设的频率漂移的缘故，可使时间周期的长度(相干长度)长于常规系统。然而，相干处理块不应选择为太长；具体来说，可能不利的是尝试对非常大的块(例如，2秒或3秒的块)进行相干处理，因为在所述较长时间周期内的不可预测的频率变化可能限制或阻止任何性能改进。
简要参看图3，在时间Tc内观察定位信号，其界定例如第一数据块39a或第二数据块39b的数据块，且时间Tc经选择以使得数据块具有整数数目的PN帧35。可注意到，因为在先前不知道PN帧何时开始的情况下接收实际的数据块，所以数据块的开始和结束可位于PN帧边界内的任何地方；举例来说，数据块可一致地从第一PN帧的开始延伸到最后PN帧的结束，如39a处所示(代码相位偏移＝0)，但更可能的是，数据块将从第一PN帧的中间的某处任意地延伸到最后完整PN帧之后的帧中间的某处(如39b处所示)，使得代码相位偏移不等于零。
假设频率漂移(64)
在64处，通过任何适当方法随机地或基于先前信息来作出关于频率漂移的假设(已参看图5讨论了其实例)。举例来说，可使用一算法来选择最可能的频率漂移假设，例如2Hz/秒为线性。或者，最可能的频率漂移的选择可基于最新近的成功频率漂移，或基于最常见的频率漂移，或任何其它合适的算法。
响应于假设的频率漂移来处理数据块(65)
在65处，例如通过乘法运算来处理数据块和假设的频率漂移，以提供经漂移调节的数据信号，所述数据信号为针对假设的频率漂移而调节的数据块。可注意到，在其它实施例中，假设的频率漂移可用在算法中的其它地方以调节其它量；例如假设的频率漂移可用于调节参考代码而不是数据。由于参考代码和数据相关地一起使用，因此调节参考代码的净作用将类似于本文说明的调节数据的作用。在又一实施例中，假设的频率漂移可用于调节后续FFT运算的向量基，或修改FFT运算的输入或输出或两者。预测的由于发射器/卫星的运动引起的频率漂移(即，卫星多普勒)可包含在假设的频率漂移中，或者其可单独施加。在后一种情况中，可在算法中与针对其它频率漂移的调节相同的位置处或在某个其它位置处插入针对卫星多普勒的调节。
选择可能在视场中的发射器，提供参考代码(66)
在66处，通过任何适当方法选择或确定发射器(例如，GPS卫星)。任何特定卫星的选择可以是随机的，或优选地可基于任何合适的信息，例如历史或由PDE提供的列表。
基于此卫星选择，供应指示从卫星发射的信号的参考代码。参考代码可局部产生或预先计算并被存储。参考代码可呈任何合适的形式，例如其可为时域信号；或者其可存储为FFT。这些代码是众所周知的，且可行且实际的是，预先计算并存储GPS接收器中每一GPS代码的值。
应注意，GPS接收器同时接收多个信号，例如，在典型情形中，GPS接收器通常在任意时间从多个视场中卫星接收八到十二个信号，但那些信号中的许多信号可能太弱而检测不到。因此，关于哪些卫星正在提供可接收的信号存在不确定性，且另外，即使可检测到，任何可接收信号的确定到达时间的代码相位偏移也是未知的。
如将论述的那样，将在所有频率假设中测试选定卫星的PN代码，至少直到发现匹配为止或所有假设已穷尽为止，且接着在所有频率假设中选择和测试下一卫星，以此类推，直到所有候选卫星均已被选择为止，或直到已发现足够的卫星来完成定位为止。
假设初始PR移位(67)
在67处，关于PR移位作出初始假设。如果足够的信息可用于GPS接收器，(例如，已进行先前定位或代码相位预测可用)，那么可基于此信息作出此初始假设和后续假设。如果没有信息可用，那么可作出最佳猜测且将开始搜索。
使经漂移调节的信号与参考代码相关(68)
在68处，执行操作以通过任何适当方法使经漂移调节的信号与参考代码相关。结果是相关数据集。
出于解释的目的，上文揭示的方法对应于以相干方式处理一个数据块，所述相干方式是本文称为“相干积分”的一种类型的相关。为了改进灵敏度，可在许多(例如，2到2000个块，通常5到200个块)相邻时间间隔中检测并组合来自许多相干相关过程的相关输出的量值，以提供相关结果。将此过程称为“非相干积分”。
对数据块执行傅立叶变换(69)
在69处，通过使用傅立叶变换过程将相关数据集变换到频域，以(例如)产生一组频率样本。此步骤可称为“向前变换”过程，且可以多种方式执行，例如快速傅立叶变换(FFT)。一种众所周知的方法是“时间抽取”；另一种方法是频率抽取。可采用其它适当或可用的快速算法，例如线性调频z变换(chirp z-transform)或数论变换(numbertheoretic transform)。
任意信号的FFT包含在频率上通过正被处理的数据块的持续时间的倒数分离的一系列数据频率样本。举例来说，如果块持续时间(Tc)是80毫秒，那么频率样本间隔12.5Hz。每一数据频率样本可通过其频率(以Hz为单位)进行识别，或更方便地通过其频率指数进行识别。具体来说，可为DFT的每一数据频率样本分配一整数(频率指数)，所述整数可(例如)在零频率的零指数处开始。对于N点FFT，频率指数N/2对应于二分之一采样速率的频率(以Hz为单位)，即，S/2。具有指数N/2+1、N/2+2等的频率样本对应于等于-S/2+1/Tc、-S/2+2/Tc等的频率(以Hz为单位)；也就是说，其表示对应于负频率的数据。
搜索用于匹配的FFT相关结果(70)
在70处，分析来自步骤69的FFT相关结果以确定是否已发现匹配。此操作可以例如下文所述的许多合适算法中的任一种来执行。具体来说，FFT结果是一系列处于不同频率的相等间隔开的线。为了确定是否已发现匹配，可采用任何合适的搜索算法。通常，计算(检测)每一线的量值。如果FFT频率指数和特定假设代码相位的线的量值是所有线中最大的且其幅值满足或超过预定阈值，那么就可以为已发现匹配。
在71处，执行测试。如果尚未识别出匹配，那么操作移到决定步骤72。在72处，如果有更多待搜索的PR移位，那么在步骤73处作出另一PR移位假设，且接着操作在包含步骤68-71的“相位循环”中继续。然而，如果没有更多待搜索的PR移位，那么操作移出相位循环，从72到达决定步骤74，决定步骤74确定是否需要测试更多频率漂移假设。
从决定步骤74来看，如果需要测试更多频率漂移假设，那么操作在包含步骤64-72的“频率漂移循环”中继续，以针对同一发射器假设另一频率漂移。如果没有更多频率漂移假设需要测试，那么操作移到下文讨论的决定步骤76，决定步骤76确定是否有更多卫星/发射器需要搜索。
返回步骤71处的决定，如果已发现匹配，那么操作移到步骤75，在步骤75处确定代码相位偏移。
确定代码相位偏移(75)
如上文讨论，当对数据进行采样时，代码相位是未知的；即，PN帧周期的开始和结束仍未确定。具体来说，尽管数据块具有整数数目的PN帧，但数据块的开始位置是未知的，且因此数据块的开始和结束可位于PN帧内的任何地方。举例来说，如图3所示，数据块可一致地从第一PN帧的开始延伸到最后PN帧的结束，如39a处所示(代码相位偏移＝0)，但更可能的是，数据块将从第一PN帧内的任意点(如69b所示)延伸到最后完整PN帧之后的帧内的同一点(代码相位偏移≠0)。
在75处，在正搜索结果之后(即，在步骤71中发现匹配之后)，从68处使用的假设PR移位确定代码相位偏移，同时从步骤69的FFT相关结果确定平均频率偏移。通常从对应于搜索中发现的峰值周围的几个PR移位的相关结果对精确的代码相位偏移进行插值。如果连续的PR移位假设只是分开二分之一PN码片，那么此插值是可能的。
在76处，作出关于是否将搜索额外的发射器/卫星的决定。根据任何合适的标准作出此决定；例如，如果已发现足够的卫星来进行定位，或者如果可能的视场中卫星的列表已穷尽，那么可作出决定以停止搜索，且因此如77处指示，获取操作完成。然而，如果将搜索更多卫星，那么操作返回步骤66，且执行发射器循环以选择下一卫星，假设另一PR移位，且用新的假定来执行步骤66-76。
概述和额外讨论
图6的方法对应于以相干方式处理一个数据块，所述相干方式是本文称为“相干积分”的一种类型的相关。然而，在实际实践中，相干积分可能不会产生足够灵敏度来检测弱GPS信号并测量其代码相位，因为相干积分周期的长度受到各种频率误差的限制。为了改进灵敏度，可检测并组合来自许多相干相关过程的相关输出的量值，这称为“非相干积分”。具体来说，相干过程可重复一个或一个以上额外的相邻时间间隔(例如，2到2000个块，通常5到200个块)，且接着检测(例如，计算其量值或量值平方)并组合结果。将这些检测到的相关样本块的求和称为非相干或不相干处理。对于相同的总积分长度，非相干处理比相干处理提供更低的灵敏度。通过在信号处理过程中应用频率漂移假设，可以减少不相干积分的长度为代价同时保持总积分长度不变来增加相干积分的长度，其净作用是信号检测灵敏度的增加。
根据这些教示，所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明精神或范围的情况下实施替代实施例。
图7是包含用于接收定位信号的替代实施例的流程图。具体来说，方框61-64、66、67和71-77中的步骤对应于上文参看图6描述的那些步骤。
在78处，展示响应于假设的PR移位和假设的频率漂移而搜索数据块与假设的参考信号之间的匹配的操作。78处的操作可包含上文参看图6描述的系统，其中响应于假设的频率漂移而处理数据块，以提供经漂移调节的数据信号，随后搜索所述经漂移调节的数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。
或者，在78处操作可包含响应于所述假设的频率漂移而处理假设的参考信号，以提供经漂移调节的参考信号，和搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。
一般来说，可使用假定频率漂移、频率和相移的任何合适的序列来执行78处的操作。许多替代方案是合适的；例如可并行测试多个频率漂移假设，或可针对多个频率漂移假设测试单个相位漂移假设，或可并行测试许多不同类型的不同假设。
在又一替代方案中，78处的操作可包含响应于数据块而计算频率样本，响应于所述参考信号而计算频率样本；和搜索数据块与参考信号频率样本之间的匹配。可响应于所述假设的频率漂移而调节经傅立叶变换的数据块与周期性重复序列中的至少一者的向量基。
本发明将仅由所附权利要求书限定，当结合上述说明书和附图来看时，权利要求书包含所有所述实施例和修改。

Claims (30)

1.一种使用长相干积分周期来接收以预定载波频率从多个发射器中的一者发射的定位信号的方法，所述定位信号包含唯一地识别发送所述定位信号的发射器的参考信号，所述方法包括：
a)在接收器处，观察处于大约所述载波频率处的电磁能量，并响应于所述观察到的电磁能量而提供数据；
b)假设所述发射器中的一者，借此假设所述多个唯一参考信号中的一者；
c)假设频率漂移；
d)响应于所述假设的频率漂移而处理所述数据；
e)界定所述数据的数据块；
f)搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配；和
g)如果找到匹配的信号，那么就确定相位延迟和计时信息，否则就循环经过所述步骤b到f，直到找到匹配的信号为止，或直到已满足预定的退出标准为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述假设的频率漂移近似于线性形式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述假设的频率漂移近似于指数形式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤f包括：
响应于所述假设的频率漂移处理所述数据块，以提供经漂移调节的数据信号；和
在多个相移上搜索所述经漂移调节的数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤f包括：
响应于所述假设的频率漂移处理所述假设的参考信号，以提供经漂移调节的信号；和
在多个相移上搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤f包括：
响应于所述数据块而计算频率样本；
响应于所述参考信号而计算频率样本；和
搜索所述数据块频率样本与所述参考信号频率样本之间的匹配。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述步骤f进一步包括：响应于所述假设的频率漂移而调节所述数据块频率样本和所述周期性重复序列的向量基。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述发射器包括以GPS频率发射GPS信号的多个GPS卫星，每一GPS卫星发射唯一的参考信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述数据块具有对应于所述参考信号的整数次重复的尺寸。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述数据块具有在所述参考信号的一百到五百次重复范围内的尺寸。
11.一种使用长相干积分周期来接收以预定载波频率从多个发射器中的一者发射的定位信号的方法，所述定位信号包含唯一地识别发送所述定位信号的发射器的周期性重复序列，所述方法包括：
a)在接收器处，观察处于大约所述载波频率处的电磁能量，并存储指示所述观察到的电磁能量的数据；
b)界定可能经受未知频率漂移的数据块；
c)假设所述数据块上的频率漂移；
d)响应于所述假设的频率漂移而处理所述数据以提供经漂移调节的信号；
e)将所述经漂移调节的信号施加到相关系统，并搜索所述经漂移调节的信号与所述多个发射器中的至少一者之间的匹配；和
f)如果找到匹配的信号，那么就确定相位延迟和计时信息，否则就循环经过所述步骤c到e，直到找到匹配的信号为止，或直到已满足预定的退出标准为止。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述假设的频率漂移近似于线性形式。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述假设的频率漂移近似于指数形式。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述步骤e包括：
假设所述多个发射器中的一者并提供对应于所述假设的发射器的参考代码；
假定PR移位；
响应于所述PR移位而使所述经漂移调节的信号与所述参考代码相关，借此提供相关数据集；和
搜索所述相关数据集以识别信号匹配。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述参考代码包括时域信号。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述发射器包括以GPS频率发射GPS信号的多个GPS卫星，每一GPS卫星发射唯一的周期性重复序列。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据块具有对应于所述周期性重复序列的整数次重复的尺寸。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据块具有在所述周期性重复序列的一百到五百次重复范围内的尺寸。
19.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括利用所述计时信息来确定所述移动站的位置。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述数据块对应于十毫秒与1秒之间的时间周期。
21.一种使用长相干积分周期来接收以预定载波频率从多个发射器中的一者发射的定位信号的接收器，所述定位信号包含唯一地识别发送所述定位信号的发射器的参考信号，所述方法包括：
用于观察处于大约所述载波频率处的电磁能量的装置，其包含天线；
用于存储指示预定义时段中所述观察到的电磁能量的数据的装置；
用于假设所述发射器中的一者借此假设所述多个唯一参考信号中的一者的装置；
用于假设频率漂移的装置；
用于响应于所述数据界定数据块并响应于所述假设的频率漂移在多个相移上搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配的装置；
用于确定相位延迟和计时信息的装置；和
用于确定是否已找到匹配的信号的控制装置。
22.根据权利要求21所述的接收器，其中所述假设的频率漂移近似于线性形式。
23.根据权利要求21所述的接收器，其中所述假设的频率漂移近似于指数形式。
24.根据权利要求21所述的接收器，其进一步包括：
用于响应于所述假设的频率漂移来处理所述数据块以提供经漂移调节的数据信号的装置；和
用于搜索所述经漂移调节的数据块与所述假设的参考信号之间的匹配的装置。
25.根据权利要求21所述的接收器，其进一步包括：
用于响应于所述假设的频率漂移来处理所述假设的参考信号以提供经漂移调节的参考信号的装置；和
用于搜索所述数据块与所述假设的参考信号之间的匹配的装置。
26.根据权利要求21所述的接收器，其进一步包括：
用于响应于所述数据块而计算频率样本的装置；
用于响应于所述参考信号而计算频率样本的装置；和
用于搜索所述经傅立叶变换的数据块与所述经傅立叶变换的参考信号之间的匹配的装置。
27.根据权利要求26所述的接收器，其进一步包括：用于响应于所述假设的频率漂移而调节所述数据块频率样本和所述周期性重复序列的向量基的装置。
28.根据权利要求21所述的接收器，其中所述发射器包括以GPS频率发射GPS信号的多个GPS卫星，每一GPS卫星发射唯一的参考信号。
29.根据权利要求21所述的接收器，其中所述数据块具有对应于所述参考信号的整数次重复的尺寸。
30.根据权利要求21所述的接收器，其中所述数据块对应于十毫秒与1秒之间的时间周期。
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