CN101424731B - 全球定位系统接收机信号缺失情况下快速重捕和定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种在GPS信号缺失情况下实现快速重新捕获进而实现快速定位的方法，涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统。该方法根据信号缺失时间的长短使用不同的策略实现快速重捕和定位。对于较短的信号缺失，例如小于2秒，使用伪跟踪环实现卫星的持续跟踪和持续定位；如果超过伪跟踪环维持时间，则使用基于先验知识的重捕方式对卫星进行直接重新捕获。对于更长的信号缺失，例如数分钟，使用基于预测的混合热重捕实现快速捕获和定位。利用该种方法在绝大多数信号缺失情况下可以实现快速的重捕。这种快速重捕与定位方法适用于任意类型的GPS接收机基带处理芯片，能够大大提高启动和定位速度，并且结构简单，芯片面积开销小，成本低，移植方便。

Description

全球定位系统接收机信号缺失情况下快速重捕和定位的方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统，特别是一种在GPS信号缺失情况下实现快速重新捕获，进而实现快速定位的方法。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩频信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(almanac)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

GPS接收机的主要目标之一是确定PN码的到达时间。术语“GPS到达之间”指GPS卫星PN码到达GPS接收机的时间。这是通过将本地产生的PN参考信号与接收的信号相比并且“滑动”本地基准直至与接收信号在时间上对齐来完成的。通过称之为“相关”的相乘和积分过程，将这两个信号相互比较。当两个信号在时间上是对齐时，输出的结果为最大。如果每半个码片的时间里作一次这样的比较，那么在一个PN信号出现时间里，需要完成搜索2046次比较。必须对所有卫星都进行这样的搜寻以确定哪些卫星在视线之内。另外，接收信号频率的误差(这个偏差是由卫星相对于接收机运动产生的多普勒效应导致)经常要求对信号频率的各种假设进行附加的搜寻。换而言之，这个搜索过程需要通过搜索取定三个未知量：可见的卫星星号，该卫星的载波频率和PN码的码相位。搜索过程在商业化接收机(基带处理芯片)通常采取大规模相关器并行的方式加速捕获过程。然而，这样的搜索和捕获过程依然很费时。同时过大规模的并行相关器还会导致功耗和成本的大幅度增加等诸多负面问题。

术语“GPS重捕时间”是衡量GPS基带处理芯片性能的重要指标之一。术语“重捕时间”是指GPS接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情况下，因各种原因卫星信号缺失，进而信号重现，从信号重现得时刻起，到重新捕获卫星时刻的时间差。类似的，术语“重定位时间”是指GPS接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情况下，因各种原因卫星信号缺失，进而信号重现，从信号重现得时刻起，到重新定位的时间差。

通常GPS基带芯片在没有任何先验信息的前提下需要通过下一系列过程才能正常定位：首先进入捕获状态搜索卫星，这个过程包括搜索用户可见的卫星号和该卫星发射信息的频率。一旦搜索到可用的卫星，则通过一个频率牵引过程转入跟踪状态，使接收机的频率和码相位和捕获的GPS卫星一致。在跟踪状态下，接收机可以解调载波信息获得GPS广播的星历和历书信息，同时计算GPS卫星到达时间。获得上述信息后，接收机即可解算出接收机位置。当接收机在信号缺失进行重新捕获时，如果没有任何先验信息则需要完全经历这样一个过程。这个过程通常耗时很长(＞2分钟)，GPS用户往往期望更高的启动速度。

GPS接收机经常遇到GPS信号缺失的情况，特别是在GPS接收机运动和遮挡物较多的情况下。一个典型的场合是城市中行驶的车载GPS定位接收机。行驶的车辆经常遭遇各种桥梁、建筑物、隧道等遮挡物的遮挡，使接收机无法接收到足够信噪比的GPS信号。这些信号缺失的时间长度往往从秒级到数分钟不等。信号缺失之后重新出现时，GPS接收机的重捕和重定位时间是GPS用户关心的核心性能之一，因而吸引了相当多的研究。

很多情况下，GPS信号缺失前后有强烈的相关性，这些相关性包括：接收机启动时所在的位置和接收机最后正常跟踪的位置相差不大(例如小于15千米)；接收机启动时和接收机最后一次运行时间间隔较小(几秒到数分钟)，接收机最后正常跟踪的卫星仍在视线之内；最后接收的星历依然有效；GPS信号缺失和重现时的时间已知。在这些前提下，GPS可以获得一系列先验信息，从而可以通过各种方式大大提高重捕和定位速度。如何提高接收机的重捕和重定位速度是GPS基带处理的一个重要研究方向。

发明内容

本发明目的是提供一种在GPS信号缺失情况下实现快速重新捕获进而实现快速定位的方法，涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统，该方法根据信号缺失时间的长短使用不同的策略实现快速重捕和定位。对于较短的信号缺失，例如小于2秒，使用伪跟踪环实现卫星的持续跟踪和接收机的持续定位；对于较长的信号缺失，例如大于10秒，使用基于预测的混合热重捕实现快速捕获和定位。

采用本发明所述方法的全球定位系统接收机包含了一个实时时钟，该实时时钟被接收机计算出的UTC时间进行校准，并被接收机随时读取，同时该接收机通过外部电池供电保证接收机掉电后继续工作。

进一步，出现信号缺失时，首先使用伪跟踪方法维持跟踪状态，信号缺失下的伪跟踪维持时间小于预设的维持时间，在该预设维持时间之内信号重现，则退出伪跟踪，转入正常跟踪；超过该预设维持时间信号依然缺失，则退出伪跟踪，利用直接重新捕获方法进行重捕，进而实现快速重定位；直接重捕失败时，使用混合热重捕方法进行重新捕获和重定位；混合热重捕失败后，隔一定时间间隔重新进行混合热重捕，直到捕获到卫星为止，该重捕时间间隔是变化的，且随着混合热重捕失败次数的增加而增加；

其中，所述伪跟踪是信号缺失时利用信号正常时存储的卫星信号跟踪信息在接收机中产生复现载波和复现码，维持对卫星信号的跟踪状态；所述混合热重捕是混合了热重捕和温重捕的重捕方式，其中热重捕是利用信号缺失前处于跟踪状态的卫星及其载波多普勒和PN码码相位进行预测，进而实现快速重捕和快速定位的重捕方式；温重捕是利用卫星历书预测卫星位置以及载波多普勒，进而实现快速重捕的重捕方式。

进一步，所述是否出现信号缺失情况的判断是以接收信号强度的估计为依据的：接收信号强度的估计低于预设阈值，则认为存在信号缺失；接收信号强度的估计高于预设的阈值，则认为接收信号正常。所述接收信号强度的估计为接收信号载噪比、码锁定指示器、载波相位锁定指示器中的一种、两种或三种的组合。

进一步，所述卫星跟踪信息是在信号正常时的正常跟踪情况下存储在伪跟踪环内的硬件寄存器内，或随机读写存储器(RAM)内。

进一步，所述卫星信号跟踪信息包括接收机复现载波频率和接收机复现码频率、卫星载波多普勒频率偏移、卫星码多普勒频偏其中的一种、两种、三种或者四种信息的组合。

进一步，接收机处于伪跟踪状态时，利用信号正常时正常跟踪情况下解算获得并存储的导航信息实现持续定位，所述卫星导航信息为卫星轨道参数，或为卫星导航电文。

进一步，所述直接重捕方法包括以下步骤：

获取时钟重捕时刻的第一时间；

读取信号缺失时的第二时间；

计算第二时间和第一时间之差；

在信号缺失前处于跟踪状态的通道内，利用计算出的时间差外推预测出重捕时的卫星伪随机噪声(PN)码码相位；

生成码相位搜索空间；

读取存储的信号缺失时处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏；

将载波多普勒频偏规整到搜索步长单位上，进而生成频率搜索空间；

用生成的码相位搜索空间和频率搜索空间初始化搜索通道，开始捕获；

重捕获卫星进入跟踪状态计算出发射时间，即利用存储的卫星导航电文实现快速定位。

进一步，所述码相位搜索空间是：以预测的码相位为中心，正负两个方向以码相位搜索步长为单位逐步延伸，直至覆盖整个码相位搜索范围。

进一步，所述热重捕方法包括以下步骤：

获取时钟重捕时刻的第一时间；

读取信号缺失时的第二时间；

计算第二时间和第一时间之差；

使用存储的接收信号估算值作为选择热启动卫星的依据；

通过信号缺失时处于跟踪状态卫星的码相位和信号缺失时间外推预测出重捕时卫星PN码码相位；

以预测的码相位为中心，正负两个方向以码相位搜索步长为单位逐步延伸，直至覆盖整个码相位搜索范围，生成码相位搜索空间；

读取存储的信号缺失时处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏；

将载波多普勒频偏规整到搜索步长单位上，进而生成频率搜索空间；

用生成的码相位搜索空间和频率搜索空间初始化搜索通道，开始捕获。

进一步，所述接收信号强度的估计为接收信号载噪比、码锁定指示器、载波相位锁定指示器中的一种、两种或者三种的组合。

进一步，所述生成频率搜索空间，包括：搜索步长可变，以规整的处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏为中心，正负两个方向逐步延伸，直至覆盖整个载波多普勒频率搜索范围；在规整的处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏周围的频段使用较短的步长搜索，因而搜索密度高，在远离预测频偏的频段使用大步长搜索。

进一步，所述混合热重捕中温，重捕方法包括以下步骤：

从实时时钟获得重启时的协调世界时(UTC)时间；

利用历书计算卫星位置；

利用卫星位置和存储的接收机位置计算卫星相对接收机的仰角；

利用卫星相对接收机仰角和接收功率最大时的仰角之差选取可见卫星；

预测可见卫星的载波多普勒频偏；

利用预测的可见卫星载波多普勒频偏规整到搜索步长单位，同时为其生成一个特定优化规则的频率搜索空间用以初始化搜索通道。

进一步，所述热重捕预测卫星和温重捕预测卫星星号相同时，则优先使用热重捕预测卫星。

进一步，所述预测卫星是由混合热重捕方法中热重捕方法预测的，且存在大于或等于四颗所述预测卫星处于跟踪状态时，则可以实现快速度定位，该方法包括以下步骤：

如果热重捕卫星处于跟踪状态，则计算全球定位系统(GPS)信号到达时间；

检测星历是否接收完成；

如果星历接收没有完成，则使用存储的星历计算卫星位置，进而解算接收机位置，即实现快速定位；

如果星历接收完成，则使用新解调出的星历计算卫星位置，进而解算接收机位置，同时更新存储的星历。

本发明的一个实施例可以实现在相关器数量相对很小的情况下(12通道，每个通道6个，共72个相关器)仍能达到很高的重捕速度(＜1秒50％几率)和重定位(＜1秒50％几率)。这种快速启动和定位方法适用于任意的多通道全球定位系统接收机，高效实用，且芯片面积开销小，成本低。

附图说明

图1是本发明的一个较优实施例的整体硬件结构框图；

图2是无辅助信息下的GPS接收机启动至解算定位流程图；

图3是典型的跟踪通道结构框图；

图4是本发明的一个较优实施例的快速重捕整体流程框图；

图5是本发明的一个较优实施例的伪跟踪环的硬件结构框图；

图6是本发明一个较优实施例的正常跟踪与伪跟踪的混合流程框图；

图7是本发明一个较优实施例的基于先验信息的直接重捕流程框图；

图8是本发明的一个较优实施例的基于预测PN码码相位的码相位搜索空间示意图；

图9是本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的频率搜索空间示意图；

图10是GPS信号的接收功率与卫星相对接收机仰角关系图；

图11是本发明的一个较优实施例的温重捕流程框图；

图12是本发明的一个较优实施例的混合热重捕流程框图；

图13是本发明的一个较优实施例的先验信息存储流程框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

GPS基带芯片是GPS接收机：中处理基带信号的芯片，是整个GPS接收机中的核心。本发明的各种方法均在GPS基带芯片中实现。为方便起见，本发明中“接收机”均指“GPS基带芯片”。

图1描述的是本发明的一个较优实施例硬件结构框图。这是一个完整的GPS接收机，由天线101、射频前端芯片102、基带处理芯片103和外部晶振104组成。该实施例使用了射频前端和基带处理独立封装成芯片的形式。本发明的另一个实施例将两部分封装在一起成为SIP系统。而另一些设计将两部分合二为一形成单一的SOC芯片。本发明对以上形式的GPS接收机芯片都是适用的。本发明的所有部分都是集中在基带处理部分，为简单起见，只对基带处理部分进行详细的描述。

虚线框所示基带处理部分由若干通道的捕获通道105，若干通道的跟踪通道106、嵌入式微处理器107、内部总线108、实时时钟109、片内RAM 110和片内Flash 111组成。捕获通道用以搜索视野内的GPS卫星，确定各可见卫星，及其发射信号的载波多普勒和PN码码相位。跟踪通道104用于跟踪捕获到的卫星，并与之同步，以便计算出PN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述同步包括载波同步、码同步、比特同步和帧同步。捕获通道和跟踪通道的数目是可以根据性能、成本、功耗等要求灵活改变的，而不是限定性的。该实施例使用了12个捕获通道和12个跟踪通道。本发明的另一个较优实施例使用了32个捕获通道和12个跟踪通道。SiRF II代芯片使用了多至1920的捕获通道。嵌入式微处理器107用于控制各个捕获和跟踪通道，同时完成解调电文、计算PN码的到达时间，进而解算接收机位置、速度和时间等工作。

该基带处理芯片还拥有片内RAM 110供嵌入式处理器使用；片内Flash 111用以存储程序和为快速启动服务的先验信息。同时该芯片还拥有一个高精度的实时时钟109用以提供时间基准。该实时时钟可被嵌入式处理器计算出的UTC时间(协调世界时)更新。同时该时钟可以由片外电池独立供电，保证系统掉电的情况下仍能正常工作。片内RAM、片内Flash和实时时钟通过内部总线108和嵌入式处理器相连。但RAM、Flash和实时时钟并不是限定必须存在于基带处理芯片内部，RAM、Flash和实时时钟均可以单独或者全部地由片外芯片实现。事实上，本发明的另外一个实施例中，RAM、Flash和实时时钟都由片外芯片实现。

射频前端和基带处理共同使用了一个晶振104作为频率基准。晶振可以使用温补晶振TCXO或者精度更高的温控晶振OCXO，甚至如果有特殊要求可以使用精度极高的原子钟。晶振精度越高，接收机性能越好，但是随着精度要求的提高，晶振的成本也近乎指数率的增加。

图2描述了一个典型的无辅助信息下的GPS接收机启动流程。图2所示过程是从接收机上电初始化201开始，直至解算出用户位置206结束。通常接收机上电后进入捕获状态202，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位。这个状态下对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级。之后进入频率牵引状态203，把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级，同时进行比特同步。完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态204，完成帧同步，即可以进入解调电文状态205，将载波上调制的电文解调出来用于在随后的解算状态206下计算接收机位置。

图3描述的是经典的跟踪通道结构。该部分对应图1中的106。该结构有一定的代表性，目前很多产品都使用了类似的结构。该跟踪通道实质上是可调的载波跟踪环和PN码跟踪环的组合，也被称为载波环辅助的码环。本结构中使用了相关器作为匹配接收卫星信号的载波频率和PN码码相位的手段，但这不是限定性的，在其他应用实例中可以其他方法。但载波跟踪环和PN码跟踪环组合的基本形式都是类似的。数字中频信号301由图1所示的射频前端102获得之后，进入捕获通道被分为同相(I路)和正交相(Q路)两路，分别和本地复现载波303的余弦分量和正弦分量相乘302。进一步地，进入各自的相关器304进行相关运算。其相关运算的参考量是由本地复现伪码305，而相关运算(或者类似的匹配运算过程)的结果交由检测器310检测，通过相应的算法控制PN码的数字频率合成(码NCO)307和载波频率合成(载波NCO)309的输出频率。本发明中码NCO包含了一个采样率寄存器，可以通过修改该采样率寄存器的值实现对码NCO基准频率的改变。码发生器306是由码NCO驱动的，用以生成本地复现的PN码供给相关器运算。码NCO的输出频率直接影响了码发生器产生的本地复现PN码的速率。这样，相关器、检测器、码NCO、码发生器形成了一个码环。同时检测器控制了载波NCO的输出频率，经过sin/cos映射308，将方波转换成正弦波和余弦波形成本地复现载波，进而进入乘法器和数字中频信号进行乘法运算。但是sin/cos映射并不是本发明的必须模块，实际上在本发明的另一个实施例中，载波NCO的输出被直接映射成了方波信号，以供下变频用。这样，乘法器，相关器、检测器、载波NCO、Sin/Cos映射形成了一个载波环。

图4描述了本发明的一个较优实施例的快速重捕流程。该流程被嵌入在图2所示流程中，对应204过程。接收机估算卫星信号的载噪比401以判断是否出现载噪比过低的情况402，从而判断是否出现信号缺失的情况。术语“载噪比”被定义为载波与噪声谱密度之比(″carrier-to-noisedensity″，ratio，即载波功率与噪声功率谱密度的比)C/N₀

C/N₀＝(SNR)(B)[ratio-Hz]

由于扩频信号的信噪比SNR在解扩前后差别很大，因而，将信噪比SNR。归一化到1Hz带宽内，从而得到一个与带宽相关联的信噪比作为衡量信号强度的标准。适用于GPS接收机的载噪比估计有很多方法，在本发明的一个较优实施例中是通过如下的公式进行估计，但并不限定必须采用下述方法：

${\mathrm{WBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(I_i^2+Q_i^2)\right)}_k$

${\mathrm{NBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_k^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_k^2$

${\mathrm{NP}}_k=\frac{{\mathrm{NBP}}_k}{{\mathrm{WBP}}_k}$

其中I为某通道同向采样信号，Q为某通道正交项采样信号，K＝50，M＝20。

在本发明的一个实施例中，采用码锁定指示器作为信号强度的判断依据。术语“码锁定指示器”是指用于判断伪码同步状态的一种物理量，是扩频通信领域专业人员所熟知的用语。适用于GPS接收机的码锁定指示器估计有很多方法，在本发明的一个较优实施例中是通过如下的公式进行估计，但并不限定必须采用下述方法。

${\mathrm{WBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(I_i^2+Q_i^2)\right)}_k$

${\mathrm{NBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_k^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_k^2$

${\mathrm{NP}}_k=\frac{{\mathrm{NBP}}_k}{{\mathrm{WBP}}_k}$

其中I为某通道同向采样信号，Q为某通道正交项采样信号，K＝50，M＝20。

在本发明的另一个实施例中，采用相位锁定指示器作为信号强度的判断依据。术语“载波相位锁定指示器”是指用于判断载波相位同步状态的一种物理量，是扩频通信领域专业人员所熟知的用语。适用于GPS接收机的载波相位锁定指示器估计有很多方法，在本发明的一个较优实施例中是通过如下的公式进行估计，但并不限定必须采用下述方法。

${\mathrm{NBD}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_k^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_k^2$

${\mathrm{NBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_k^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_k^2$

${C2\mathrm{\φ}}_k=\frac{{\mathrm{NBD}}_k}{{\mathrm{NBP}}_k}$

其中I为某通道同向采样信号，Q为某通道正交项采样信号。

本发明中，以信号强度低于一个阈值作为信号缺失的判决条件。这个阈值和所使用的接收机捕获灵敏度有关，即信号强度如果低于所用GPS接收机能够捕获到的最低信噪比则认为信号缺失。

如果信号没有出现缺失的情况，则进入正常的跟踪410状态，进而解调电文411，解算用户位置和速度412。该过程和图2所示的204至206过程是一致的。

如果出现了信号缺失的情况，接收机首先使用伪跟踪方式试图维持短暂的跟踪状态以“越过”信号缺失区403，进而利用存储的导航电文信息实现持续定位。该部分内容将在图6中详细描述。但是这种伪跟踪方式由于没有实际跟踪卫星，只能保证短时期内的定位结果正确性。所以另设一个计数器加以限制伪跟踪状态的维持时间404。这个伪跟踪的维持时间由伪跟踪环的结构、接收机运动情况信号遮挡情况决定，通常在数秒级能够保证定位结果的正确性。本发明的一个较优实施例使用2秒为伪跟踪环维持时间门限。如果伪跟踪在伪跟踪环维持时间门限内，信号重现(信号强度恢复到接收机捕获能力之上)，则转入正常的跟踪410，进而解调电文411，解算用户位置和速度412。如果伪跟踪超过了伪跟踪维持时间则使用基于先验信息的直接重捕方式进行重捕405。这些先验信息包括信号缺失前处于跟踪状态的卫星号、卫星信号载波频率和PN码码相位。这个重捕过程的细节将在图7中详细描述。如果捕获成功则转入正常跟踪410，并利用存储的卫星。导航电文实现快速定位。如果重捕不成功，最主要的因素是卫星信号依然处于缺失状态，则使用基于预测的混合热重启动重新捕获。术语“混合热重捕”是指混合了热重捕和温重捕的重捕方式。术语“热重捕”是指利用信号缺失前处于跟踪状态的卫星及其载波多普勒和PN码码相位进行预测，进而实现快速重捕和快速定位的重捕方式。术语“温重捕”是指利用卫星历书预测卫星位置以及载波多普勒，进而实现快速重捕的重捕方式。如果捕获成功408，则转入正常的跟踪410，否则，则根据相应算法调整下次重捕时间，等待计算出的重捕间隔后，利用基于预测的混合热重捕进行重捕。该等待时间是由混合热重捕失败次数决定的。因为接收机可能处于较长时间被遮挡的情况，如车载GPS接收机行驶于隧道内，且无法预知何时信号可以重现。该情况下，频繁的反复重捕必然会大大增加功耗。所以本发明的重捕间隔时间是自适应的，随着重捕失败次数的增加而增加。通过上述三种方法快速重捕方法的组合，有效地降低了信号重现后的重捕时间，特别是实现了快速定位，使用户能够在第一时间获得定位结果。

图5描述的是本发明的一个较优实施例的伪跟踪环硬件结构框图。该部分结构与图3的经典跟踪通道结构类似，图中黑实线方框表示增加的硬件部分。数字中频信号501由图1所示的射频前端102获得之后，进入捕获通道被分为同相(I路)和正交相(Q路)两路，分别和本地复现载波503的余弦分量和正弦分量相乘502。进一步地，进入各自的相关器504进行相关运算。其相关运算的参考量是本地复现伪码505，而相关运算(或者类似的匹配运算过程)的结果交由检测器510检测，510根据相应算法计算载噪比，进而判断是否出现信号缺失，以决定选择正常跟踪方法或伪跟踪方法两种方法之一，控制PN码的数字频率合成(码NCO)507和载波频率合成(载波NCO)509的输出频率。

如信号正常，则采用正常跟踪方法利用检测器给出的结果控制码NC0507和载波NC0509。若信号缺失或信噪比过低，则依据相应算法利用码寄存器511与和载波寄存器512控制507和509。但是码寄存器511和载波寄存器512的物理形式并不是限定性的，寄存器作为硬件的一部分物理存在于跟踪通道内部，也可以在嵌入式处理器使用的.RAM中虚拟存在。事实上在本发明的另一实施例中，码寄存器511和载波寄存器512分别为片内RAM的两个存储单元。本发明中码NCO包含了一个采样率寄存器，可以通过修改该采样率寄存器的值实现对码NCO基准频率的改变。码发生器506是由码NCO驱动的，用以生成本地复现的PN码，供给相关器运算。码NCO的输出频率直接影响了码发生器产生的本地复现PN码的速率。这样，相关器、检测器、码NCO、码发生器形成了一个码环。同时检测器控制了载波NCO的输出频率，经过sin/cos映射508，将方波转换成正弦波和余弦波形成本地复现载波，进而进入乘法器和数字中频信号进行乘法运算。但是sin/cos映射并不是本发明的必须模块，实际上在本发明的另一个实施例中，载波NCO的输出被直接映射成了方波信号，以供下变频用。类似地，乘法器，相关器、检测器、载波NCO、Sin/Cos映射形成了一个载波环。

图6描绘了本发明的一个较优实施例的正常跟踪与伪跟踪的混合流程。该流程包含在图2所示的GPS接收机定位一般流程中。具体步骤为：当接收机进入图2所示204处法跟踪处理流程后，首先由601获取各相关器(或类似的匹配运算过程)的输出数据，进而估计接收信号载噪比602，根据载噪比判断是否存在信号缺失的情况603。如果信号正常，则采用正常跟踪方法604，如果信号缺失，则采用伪跟踪方法608。正常跟踪方法利用相关器输出数据估计载波频偏和码相位，并控制码NC0507与载波NCO509，并存储新估计的卫星频偏和码相605，用以在信号缺失的情况下实现伪跟踪。进一步地，解调卫星导航电文606，如果电文解调完毕607，则解算用户位置612并存储用户位置及速度613。这个过程和图2所示的204～206过程是一致的。

如果信号强度过低，检测器认定GPS信号缺失，则使用伪跟踪608维持短暂的跟踪状态。信号缺失导致相关器输出数据不可用，无法由此估计卫星信号载波频率和伪码频率。对于低动态情况，出现短暂的信号缺失时，接收信号的载波频偏和码相及码频偏相关性很强，没有较大的变化。因此，伪跟踪环利用605存储的卫星跟踪信息，得到出现信号缺失前较短时间内(例如小于1秒时间内)估计的卫星信号载波频率和伪码频率，并将其近似作为信号缺失时间段内卫星信号载波频率和伪码频率的估计值，利用这两个估计值控制载波NCO 509与码NCO 507输出信号的频率，进而产生近似与卫星信号同频同相的复现载波和复现伪码，实现信号缺失下的卫星跟踪。在利用伪跟踪实现信号缺失情况下对卫星信号持续跟踪的维持时间段内，可采用605存储的卫星信息代替实时解调的导航电文，进而解算用户位置612并存储用户位置及速度613，实现短暂的持续定位。在伪跟踪维持时间段内，通过检测信号强度判断信号缺失情况是否结束，如果信号强度高于一定阈值，则认为信号恢复，返回到正常跟踪604，并待实时解调电文正确后改用实时电文解算用户位置612。如果609判断伪跟踪维持时间较长且信号没有恢复，例如2秒，则转入重捕610。由于受到桥梁、建筑物、隧道等遮挡物的遮挡时，会造成信号的短暂缺失，造成跟踪通道对卫星的不正常跟踪。此时，通过采用伪跟踪方法对卫星信号进行虚拟跟踪，并在信号恢复即信号强度高于一定阈值后，后转入正常跟踪，大大的避免了信号重捕过程的出现。并依靠正常工作时存储的卫星轨道参数等先验信息代替导航电文，实现了信号缺失情况下的持续定位。

图7描述的是本发明的一个较优实施例直接重捕的流程。当伪跟踪时间超过预设的维持时间之后，认为伪跟踪的信息不再准确，则退出伪跟踪，进行直接重捕。该过程对应图4中的403至405步骤。该直接重捕是基于先验信息的。这些先验信息包括信号缺失前处于跟踪状态的卫星依然处于视线内，其载波多普勒频偏变化不大，其码相位可以通过计算信号缺失时间和当前运行时间的时间差预测获得以及存储的卫星导航电文依然有效。信号缺失时间通常只有数秒到数分钟的时间，所以上述对先验信息的假设是现实的。直接重捕在信号缺失前跟踪上卫星的通道直接进行，不改变该通道跟踪卫星的卫星号，即利用信号缺失前处于跟踪状态的卫星依然处于视线内的先验假设。具体步骤如下：直接重捕初始化701后，接收机首先获取实时时钟的当前运行时间702和读取信号缺失时的运行时间703，以获得上述两个时间的时间差704。702和703的相对川页序不是限定性的。进一步地，根据该时间差和信号缺失前的PN码码相位预测重捕时候的卫星码相位705，并以预测的码相位为基点为码生成器生成最优的码相位搜索空间。该搜索空间的使用如图8所示，生成该搜索空间的具体规则将在图8中详述。进一步地，读取信号缺失前处于跟踪卫星的载波多普勒频偏707，进而将该频偏规整到搜索步长单位708，并以此为基准生成最优的频率搜索空间。该搜索空间使用如图9所示，生成该搜索空间的具体规则将在图9中详述。702-706和707-709的相对顺序不是限定性的，可以调换，但频率搜索空间和码相位搜索空间都是必须的。

进一步地，利用生成的码相位搜索空间和频率搜索空间初始化各个搜索通道710，进而进入捕获状态进行捕获。在该种状态下，重捕卫星一旦进入跟踪状态计算出发射时间，即可以利用存储的卫星导航电文实现快速定位。

图8描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测PN码码相位的码相位搜索空间图样。图中的P是图7705步骤所预测的卫星多普勒频偏。Δ为码相位搜索的步长单位。码相位的搜索步长和搜索通道的结构有关，通常为半个码片，但这不是限定性的，可以根据搜索通道的结构灵活改变。搜索步长以预测的码相位为原点，正负两个方向逐步延伸，直至覆盖PN码的整个码相位范围。这个范围对以于半码片为搜索步长的结构有2046个搜索节点。

图9描绘了本发明的一个较优实施例的基于预测多普勒的频率搜索空间图样。图中的厂是图4中406步骤所预测的卫星多普勒频偏。A为频率搜索的步长单位。本实施例中的搜索步长是可变的，为A的整数倍。搜索步长以预测的频偏为原点，正负两个方向逐步放大，直至到步长的最大值(例如5Δ)后保持该步长不变。这个步长的最大值是由锁频环的最大频率牵引能力和频率收敛速度平衡后的结果，一个典型值为500赫兹。整个频率搜索空间覆盖卫星信号可能产生的最大多普勒频率偏移范围。这个范围针对低动态接收机典型范围为-5千赫兹到+5千赫兹，对于高动态接收机而言典型值为-10千赫兹到+10千赫兹。

图10描述了本发明的一个较优实施例温重捕流程框图。温重捕是混合热重捕中的一部分，这里先行介绍，混合热重捕的具体过程在图12中详述。首先初始化1001，随后从实时时钟读取当前的运行时间1002，从Flash中读取接收机最后一次运行时记录的接收机位置和速度1003，同时读取存储的星历历书1004，该历书的存储在图13中详细说明。之后利用当前时间、卫星历书接收机速度即可以计算所有32颗卫星的位置1005及卫星相对接收机的多普勒频偏1006。利用用户位置和卫星位置即可以计算出卫星相对接收机的仰角1007。该计算过程如下

$\mathrm{\α}=\arcsin \left(\frac{\stackrel{\→}{v_u}\·\stackrel{\→}{v_{\mathrm{us}}}}{\left|\stackrel{\→}{v_u}\right|\·\left|\stackrel{\→}{v_{\mathrm{us}}}\right|}\right)$

其中

为卫星的坐标，

为接收机坐标

为接收机位置指向卫星位置的矢量

因为卫星相对用户仰角为40度时，接收的GPS信号功率最大(见图11)，所以对各卫星仰角和40度的差值进行排序1008，选取差值较小的卫星作为目标卫星搜索。同时为这些卫星根据其预测的多普勒频偏生成各自最优的频率搜索空间1009。该空间由图9所示的规则。由频率搜索空间初始化各个通道1010，即进入捕获1011，之后的流程和图2所示的过程频率牵引203到解算206的过程相同。

图11描绘了GPS信号的接收功率与卫星相对接收机仰角的关系。图中可见卫星相对接收机的仰角在40度左右时，接收机接收到的GPS信号功率有最大值，而在相对接收机的天顶和地平线处的接收功率有最小值。

图12描述了本发明的一个较优实施例的混合热重捕流程。热重捕方法基于下述先验假设：信号缺失前处于跟踪状态的卫星信号重现时依然在视线内的几率很大，且频偏变化不大，通常只有每秒1赫兹的偏移率。在已知关机时间和重启时间，即可以预测重启后可见卫星的星号、信号频偏。另外因为已知关机时的信PN码码相位，可以外推出重启后的码相位。又因为星历已知，在其有效期内，只要计算出信号到达时间利用储存的星历即可以解算用户位置。但是单纯热重捕有某些缺点：例如，最后一次运行处于跟踪状态的卫星可能只有少数几颗，热重捕后大量通道资源被浪费，同时一旦预测失败，再次定位的时间可能很长。本发明中提出了一套简单可靠、能够快速捕获并能快速解算接收机位置的热重捕方法，同时将温重捕方法加入到通常意义下的热重捕中，形成了独特的混合热重捕方式，提高了预测命中率，同时没有增加额外的硬件。具体过程如下：由图4中407触发热重捕后，系统首先初始化1201，随即读取存储的先验信息1202。这些信息包括：接收机当前运行时间，接收机最后一次运行的时间、位置、速度，卫星历书，信号缺失前处于跟踪状态且。星历接收完整的卫星星号、频偏、码相位、卫星信号强度及星历。这些信息的存储过程将在图13中详细解释。以载噪比的估计作为依据选取热重捕卫星1203，本实施例中选取四颗卫星用于热重捕，因为四颗卫星即可以实现定位的最低要求。选择载噪比作为信号强度的判断依据不是限定性的。选取卫星的数目不是限定性的。当然，在其他实施例中可以选取更多的热重捕卫星。其中载噪比是通过图4中所示方法进行估算。其载噪比估算方法同样不是限定性的，可以由其他类似的信噪比估计方法确定。

进一步地，利用热重捕卫星存储的频偏规整到搜索步长单位，进而生成各自最优的频率搜索空间1204，频率搜索空间图样和图9所示的图样相同。利用实时时钟的当前时间和存储的该卫星码相位预测卫星的码相位，同时生成最优的码相位搜索空间1205，码相位搜索空间图样和图8所示的图样相同。之后，进入类似图10所述的温重捕过程，即利用历书预测可见卫星及其频偏1206，同时生成各自最优的搜索空间的过程1207。这个过程和图10所示的1004-1009过程是完全一致的。之后从温重捕预测的队列中扣除和热重捕预测卫星相同的卫星1208，保证两种方法没有重复的预测卫星。用预测的频偏和码相位搜索空间初始化各个通道1209。进入图2类似的解算过程。首先进入捕获过程1210，如果捕获成功1212则进入频率牵引状态1213，否则重新进入捕获状态1210。检测频率牵引是否成功，若成功，则进入跟踪状态1214，否则经过更换一个尚未搜索的卫星号1211重新进入捕获状态。进入跟踪之后即可以计算出GPS信号到达时间1216，同时记录所下次启动时所需要的先验信息1217。这个获取先验信息的过程将在图13中详述。随后检测处于跟踪状态的卫星星历是否接收完成1218。如果不是，解调电文1219的同时，检测所跟踪的卫星是否为热重捕预测的卫星1220。如果所跟踪的卫星是热重捕所预测卫星，即其星历已经被存储而已知，则直接使用存储的星历1221，即可以实现快速解算接收机位置。否则，则使用解调出的星历1222计算卫星位置代替存储的旧卫星。当热启卫星解调后的星历完整1218后，即使用解调出的星历解算卫星位置，同时更新存储的星历。如果大于四颗卫星可用，即可计算接收机位置1224。之后重新进入捕获，进行新一轮的解算。

图13描述了本发明的一个较优实施例的先验信息存储流程。所有快速重捕和重定位的实现都是基于先验信息的。这些先验信息必须在合适的时候存储，以保证信号重现时这些存储的信息都是表征信号缺失前的最新信息。接收机进入跟踪状态1301之后，即可以存储处于跟踪状态的卫星星号，多普勒频偏和码相位1302，并可以计算并存储载噪比1303。同时存储用以实现伪跟踪的反馈控制量1304。这些先验信息的存储顺序不是限定性的。进入跟踪状态的卫星即可以开始解调电文1305，当电文解调完整1306后即可以存储星历和历书1307。此时的UTC校准信息已经完整，可以利用这些信息通过GPS时间计算出UTC时间并将其存储1308，同时可以用这个时间更新实时时钟1309。这个从GPS时间到UTC时间的转换方法在Interface Control Document(1CD-GPS-200)P145-P148已经有了完整的描述。当有效卫星大于等于4颗时，即可以解算出接收机位置1310，即可存储接收机位置及速度1311。至此，一次解算过程结束，可以从捕获，开始新一轮解算。

尽管本发明的方法和装置是参照GPS卫星来描述的，但应当理解，这些原理同样适用于采用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星的组合的定位系统。假卫星是一种基于地面的发射机，它传播调制在L频段在波信号上PN码(与GPS信号相似)，并且通常是与GPS时间同步的。每一发射机可以被赋予一个独特的PN码，从而允许由远端接收机进行识别。假卫星用在这样的情况下，即，来自轨道卫星的GPS信号缺失，如隧道、矿山、建筑物或者其他的封闭区及明显遮挡。这里所使用的术语“卫星”包括假卫星或假卫星的等效，而这里所使用的术语GPS信号包括来自假卫星或者假卫星等效的类似GPS的信号。

在前面的讨论中，本发明是参照美国全球定位系统(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位系统的信号。

上文中，已经描述了全球定位系统信号缺失情况下实现快速重捕和定位的系统。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域的普通技术人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种全球定位系统接收机信号缺失情况下快速重捕和定位的方法，其特征在于，组合了伪跟踪，直接重新捕获和混合热重捕三种方法，实现快速重新捕获和重定位，所述方法包括：

出现信号缺失时，首先使用伪跟踪方法维持跟踪状态，信号缺失下的伪跟踪维持时间小于预设的维持时间，在该预设维持时间之内信号重现，则退出伪跟踪，转入正常跟踪；超过该预设维持时间信号依然缺失，则退出伪跟踪，利用直接重新捕获方法进行重捕，进而实现快速重定位；直接重捕失败时，使用混合热重捕方法进行重新捕获和重定位；混合热重捕失败后，隔一定时间间隔重新进行混合热重捕，直到捕获到卫星为止，该重捕时间间隔是变化的，且随着混合热重捕失败次数的增加而增加；

其中，所述伪跟踪是信号缺失时利用信号正常时存储的卫星信号跟踪信息在接收机中产生复现载波和复现码，维持对卫星信号的跟踪状态；

所述混合热重捕是混合了热重捕和温重捕的重捕方式，其中热重捕是利用信号缺失前处于跟踪状态的卫星及其载波多普勒和PN码码相位进行预测，进而实现快速重捕和快速定位的重捕方式；温重捕是利用卫星历书预测卫星位置以及载波多普勒，进而实现快速重捕的重捕方式。

2.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述方法的全球定位系统接收机包含了一个实时时钟，所述实时时钟被接收机计算出的UTC时间进行校准，并被接收机随时读取，同时该接收机通过外部电池供电保证接收机掉电后继续工作。

3.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述是否出现信号缺失情况的判断是以接收信号强度的估计为依据的：接收信号强度的估计低于预设阈值，则认为存在信号缺失；接收信号强度的估计高于预设的阈值，则认为接收信号正常。

4.根据权利要求3所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述接收信号强度的估计为接收信号载噪比、码锁定指示器、载波相位锁定指示器中的一种、两种或三种的组合。

5.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述卫星跟踪信息是在信号正常时的正常跟踪情况下存储在伪跟踪环内的硬件寄存器内，或随机读写存储器内。

6.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述卫星信号跟踪信息包括接收机复现载波频率、接收机复现码频率、卫星载波多普勒频率偏移和卫星码多普勒频偏其中的一种、两种、三种或者四种信息的组合。

7.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述接收机处于伪跟踪状态时，利用信号正常时正常跟踪情况下解算获得并存储的卫星导航信息实现持续定位，所述卫星导航信息为卫星轨道参数，或为卫星导航电文。

8.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述直接重捕方法包括：

获取时钟重捕时刻的第一时间；

读取信号缺失时的第二时间；

计算第二时间和第一时间之差；

在信号缺失前处于跟踪状态的通道内，利用计算出的时间差外推预测出重捕时的卫星伪随机噪声码码相位；

生成码相位搜索空间；

读取存储的信号缺失时处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏；

将载波多普勒频偏规整到搜索步长单位上，进而生成频率搜索空间；

用生成的码相位搜索空间和频率搜索空间初始化搜索通道，开始捕获；

重捕获卫星进入跟踪状态计算出发射时间，即利用存储的卫星导航电文实现快速定位。

9.根据权利要求8所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述码相位搜索空间是：以预测的码相位为中心，正负两个方向以码相位搜索步长为单位逐步延伸，直至覆盖整个码相位搜索范围。

10.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述热重捕方法包括：

获取时钟重捕时刻的第一时间；

读取信号缺失时的第二时间；

计算第二时间和第一时间之差；

使用存储的接收信号强度的估计值作为选择热重捕卫星的依据；

通过信号缺失时处于跟踪状态卫星的码相位和信号缺失时间外推预测出重捕时卫星伪随机噪声码码相位；

以预测的码相位为中心，正负两个方向以码相位搜索步长为单位逐步延伸，直至覆盖整个码相位搜索范围，生成码相位搜索空间；

读取存储的信号缺失时处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏；

将载波多普勒频偏规整到搜索步长单位上，进而生成频率搜索空间；

用生成的码相位搜索空间和频率搜索空间初始化搜索通道，开始捕获。

11.根据权利要求10所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述接收信号强度的估计为接收信号载噪比、码锁定指示器、载波相位锁定指示器中的一种、两种或者三种的组合。

12.根据权利要求10所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述生成频率搜索空间包括：搜索步长可变，以规整的处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏为中心，正负两个方向逐步延伸，直至覆盖整个载波多普勒频率搜索范围；在规整的处于跟踪状态卫星的载波多普勒频偏周围的频段使用较短的步长搜索，因而搜索密度高，在远离预测频偏的频段使用大步长搜索。

13.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述混合热重捕中温重捕方法，包括：

从实时时钟获得重启时的协调世界时间；

利用历书计算卫星位置；

利用卫星位置和存储的接收机位置计算卫星相对接收机的仰角；

利用卫星相对接收机仰角和接收功率最大时的仰角之差选取可见卫星；

预测可见卫星的载波多普勒频偏；

利用预测的可见卫星载波多普勒频偏规整到搜索步长单位，同时为其生成一个特定优化规则的频率搜索空间用以初始化搜索通道。

14.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，所述使用热重捕方法预测的可见卫星和使用温重捕方法预测的可见卫星星号相同时，则优先使用热重捕预测的可见卫星。

15.根据权利要求1所述的快速重捕和定位的方法，其特征在于，如果使用了混合热重捕方法，且由混合热重捕方法中热重捕方法预测的卫星捕获成功并转入跟踪状态的数目大于或等于四颗，则可以实现快速度定位，该方法包括以下步骤：

热重捕卫星处于跟踪状态时，则计算全球定位系统信号到达时间；

检测星历是否接收完成；

星历接收没有完成，则使用存储的星历计算卫星位置，进而解算接收机位置，即实现快速定位；

星历接收完成，则使用新解调出的星历计算卫星位置，进而解算接收机位置，同时更新存储的星历。

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