CN101950023A

CN101950023A - 一种利用手机蜂窝网获取辅助信息的快速高精度gps定位终端

Info

Publication number: CN101950023A
Application number: CN2010102661871A
Authority: CN
Inventors: 鲁郁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明涉及一种利用手机蜂窝网获取辅助信息的快速高精度GPS定位终端，其基于现有的蜂窝基站上面的GPS差分站，通过事先标定的蜂窝基站的精确位置，计算出如上所述的公共误差项，然后通过独有的压缩算法将冗余信息剔除，将精简的误差修正信息通过手机短信的形式发送给蜂窝基站覆盖范围内的定位终端；在定位终端方面，通过无线链路，例如GSM，GPRS，3G等接受到差分站发送的差分修正量，将公共误差项剔除，提高定位的精度和准确度。

Description

一种利用手机蜂窝网获取辅助信息的快速高精度GPS定位终端

技术领域

本发明涉及蜂窝网通信领域和卫星定位领域，尤其是辅助卫星定位(Aiding GNSS)领域，是一种利用现有的手机蜂窝网通信基础设施传送卫星定位辅助信息，提升常规卫星定位接收机初次定位速度和连续定位精度的GPS定位终端。

背景技术

在GPS接收机中，信号处理主要包括基带信号处理和导航结算处理，其中基带信号处理主要包括信号捕获和信号跟踪。信号捕获的任务有两点：1.决定当前天顶上可见卫星集合。2.对于每一颗可见卫星，确定其伪码相位和多普勒频移。任务1的出发点是由于GPS卫星作为中轨道卫星，轨道半径近似为2万公里左右，空中组网包括32颗卫星，每颗卫星具有唯一的伪随机码，伪随机码的存在提供了测距码，同时将卫星发射信号频带展宽，经过2万多公里的路径衰减使地球表面接收到的卫星型号被背景噪声湮没，所以必须通过信号捕获得到当前可见卫星的集合，才能进行后续处理。

GPS信号中调制的伪随机码分为军码和民用码，民事应用中只适用了民用码。民码的码周期为1毫秒，分为1023个伪码相位。在GPS接收机端，由于时间和位置的随机性，导致在某个特定时刻接受的伪码相位也是随机的，所以必须找到伪码相位的精确测量值才能将本地伪码和输入信号的伪码相位对齐，这样才能得到最大相关峰，从而检测到某颗卫星的存在；另一方面，由于卫星不是静止轨道，其高速运行速率(＞4公里/秒)导致接收到的信号产生较大的多普勒频移，一般在-5KHz到+5KHz之间，所以也必须在载波频率方向进行多个频率井的搜索，只有当载波频率和多普勒频移的频率差在一定范围之内(比如＜500Hz)，同时本地伪码相位和输入信号的伪码相位差在0.5个码片之内，才能得到一个最大的相关峰，完成信号的捕获。可以看出，信号捕获的过程包括了一个二维的搜索，根据相关时间的不同决定载波频率搜索的频宽，一般来说需要40-100个频点的搜索，加上1023个伪码相位的搜索，导致了信号捕获在接收机初次定位时间中的大部分，所以缩短信号捕获的时间对于缩短初次定位时间具有非常重要的意义。

卫星定位接收机用来定位的观测量主要是伪距观测量，其数学表达式为

ρ_{i} (x_{u}) = \sqrt{{(x_{u} - x_{s_{1}})}^{2} + {(y_{u} - y_{s_{1}})}^{2} + {(z_{u} - z_{s_{1}})}^{2}} + cb + n_{ρ_{1}}

其中脚标i表示第i颗卫星，误差项包括了卫星星历误差，卫星钟差，电离层延迟，对流层延迟，多径效益，接收机射频热噪声，跟踪环路相位噪声，等等，其中卫星星历误差，卫星钟差，电离层延迟，对流层延迟等等都是公共误差，所以如果能通过GPS差分站得到这些公共误差，并藉由某种数据链路得到这些修正项，则可以提高定位精度。

发明内容

本发明内容包括架设于现有的蜂窝基站上面的GPS差分站，通过事先标定的蜂窝基站的精确位置，可以计算出如上所述的公共误差项，然后通过独有的压缩算法将冗余信息剔除，将精简的误差修正信息通过手机短信的形式发送给蜂窝基站覆盖范围内的定位终端；在定位终端方面，通过无线链路(GSM，GPRS，3G等)接受到差分站发送的差分修正量，将公共误差项剔除，提高定位的精度和准确度。

辅助信息主要包括两方面的信息：1.当前可见卫星集合；2.每颗卫星的星历数据。

通过蜂窝手机网短消息传送GPS差分信息和辅助启动信息，利用预设的GPS接收机基站接收GPS定位信息，根据标定的蜂窝站精确位置计算差分数据信息，包括电离层、对流层延迟矫正量，卫星种差矫正，以及实时的可见卫星集合，单颗卫星的伪码相位和载波多普勒频移，经过压缩算法将以上诸量的数据量压缩，然后通过蜂窝网短消息的方式发送出去。

定位终端通过预设的短信平台接受GPS辅助信息中和差分数据信息，辅助信息可以用来限定当前信号捕获引擎的伪码设定，限定每颗卫星的信号捕获的多普勒频率的设定。

附图说明

图1中GPS接收机天线安装在蜂窝网基站某处，利用测绘技术标定该处的精确位置，然后利用高精度测绘级GPS接收机产生对应该蜂窝小区的差分数据和卫星辅助信息，并通过蜂窝网无线链路发送出去。

图2中多种卫星定位终端利用无线链路(GSM/GPRS/3G等)获取图1中发送来的辅助信息，以缩短首次定位时间并提高定位精度。

图3表示将中频采样的GPS数字信号分成多个1ms为长度单位的数据块。

图4表示将s′(t)数据块进行块累加，

图5将输入信号分为奇数块组和偶数块组来处理，每个数据块长度为10毫秒，是为了避开数据比特跳变对相关值的抵消。平方后得到的两组采样值，进行FFT就可以直接判断载波频率。

具体实施方式

该方法具体实施包括在现有的蜂窝网基站1安装GPS天线，并标定该天线的精确位置，然后由服务器2通过对测绘级GPS接收机3输出观测量(伪距观测量、多普勒观测量和载波相位观测量)进行处理，计算出差分数据和辅助信息，然后通过手机短信平台发送给小区内的卫星定位终端。

在终端4、5、6一侧，需要设计具有无线链路的卫星定位终端，主要包括两部分：无线通信模块和GPS定位模块，其中GPS定位模块必须具有兼容辅助信息的功能。

定位终端方面接收到辅助信息以后通过以下步骤来充分利用辅助信息：

1.限定当前信号捕获引擎的伪码设定。

这一点是由于GPS卫星距离地面高度超过20,000公里，在方圆50-100公里的范围内可以认为可见卫星的集合是不变的，所以服务器发送来的可见卫星集合和目前定位终端需要捕获的卫星集合相符，这样就不需从32可备选卫星集合中盲搜，从而大大缩短信号捕获所需要的时间。

2.对每颗卫星的信号捕获的多普勒频率的设定

服务器端发送的卫星星历数据，可以用来计算卫星的飞行速度[v_x，v_y，v_z]，对于大多数应用来说，用户的速度是一定范围之内，这样就可以估计出当前卫星和用户的相对运动速度[Δv_x，Δv_y，Δv_z]，将该相对速度投影到用户和卫星的方向向量上就可以计算出多普勒频率。从而可以设定信号捕获的频率搜索范围。

3.如果具有当前的准确时间和大致位置的信息，可以对每颗卫星的信号捕获的伪码相位进行窄窗设定

如果知道了用户的当前位置和准确时间，同时又有服务器发送来的卫星星历数据，则可以根据当前时间计算出卫星的位置坐标[x_sv，y_xv，z_sv]，这样就可以计算出卫星信号需要传输的距离

限据该距离，可以计算出卫星传输延迟τ_sv，将本地时间减去τ_sv，结果转换为码片，则可以精确设定信号捕获的伪码相位的窗口范围，从而缩小搜索空间。

第二步中得到的多普勒频移的进一步应用可以大大缩短信号捕获所需时间，其详细步骤如下。

1.将中频采样的GPS数字信号分成多个1ms为长度单位的数据块，如图3所示，图中N为离散化后1毫秒数据的样点植，具体数值取决于采样中频。

2.假设由差分基站得到的辅助信息可以估计卫星信号的多普勒频率值为f_d，取f_d对1KHz的余数，用f_d％1k表示：f_d％1k＝f_d％(1000)，然后产生一个本地频率补偿序列

3.将输入中频数据块依次乘以p_d，得到一个新的中频序列

s′(t)＝s(t)p_d(t)

理论推导可以证明，当f_d估计准确的情况下，s′(t)的载波分量的频率是和1KHz的整数倍对齐。也就是说每一个1ms的s′(t)数据块共享相同的载波相位。

4.将s′(t)数据块进行块累加。由于GPS数据调制的方式决定了每毫秒的数据比特不变(20毫秒才可能发生改变)，伪码周期为1毫秒，所以经过了频率补偿以后的载波相位也同步以后，就可以通过块累加的方法以增强信号的强度。

5.对上一步得到的Y_k(n)进行常规的相关捕获或FFT捕获。和原始输入信号s(n)相比，对Y_k(n)进行信号捕获主要有两个明显的优势：如果该卫星的信号很弱，则经过块累加增强信号强度之后，可以大大增加信号捕获成功的概率，同时大大降低虚惊概率；如果该信号的信号较强，则经过块累加增强之后，可以用简单的平方再FFT的方法直接得到信号载波多普勒频率值，而跳过对伪码相位的搜索，变二维搜索为一维搜索，结果大大缩短信号捕获的时间开销。

以上的论述仅仅是本发明实施例的一个优选例，是为了解释和说明，并不是对发明本身的限制。本发明并不局限于这里公开的特定实施例，而由下面的权利要求确定。另外，在前面的描述中的与特定的实施例有关的记载并不能解释为对本发明的范围或者权利要求中使用的术语的定义的限制。所公开实施例的各种其它不同的实施例和各种不同的变形对于本领域技术人员来说是显而易见的。但所有这些实施例、改变和变形都在所附权利要求的范围中。

Claims

1.一种利用手机蜂窝网获取辅助信息的快速高精度GPS定位终端，该终端包括GPS差分基站，手机短消息模块，GPS定位接收机，中心处理单元，构成一个可以和GPS差分基站双向通信的GPS定位终端。

2.根据权利要求1所述的GPS定位终端，其特征在于GPS差分基站和GPS定位接收机的双向通信，以及利用差分信息和辅助信息提升定位性能和缩短定位所需时间的定位终端。

3.根据权利要求2所述的GPS定位终端，其特征在于该定位终端通过蜂窝手机网短消息传送GPS差分信息和辅助启动信息，利用预设的GPS接收机基站接收GPS定位信息，根据标定的蜂窝站精确位置计算差分数据信息，包括电离层、对流层延迟矫正量，卫星种差矫正，以及实时的可见卫星集合，单颗卫星的伪码相位和载波多普勒频移，经过压缩算法将以上诸量的数据量压缩，然后通过蜂窝网短消息的方式发送出去。

4.根据权利要求2所述的GPS定位终端，其特征在于该定位终端通过预设的短信平台接受GPS辅助信息中和差分数据信息，辅助信息可以用来限定当前信号捕获引擎的伪码设定，限定每颗卫星的信号捕获的多普勒频率的设定。

5.根据权利要求4所述的GPS定位终端，其特征在于，该定位终端将中频采样的GPS数字信号分成多个1ms为长度单位的数据块，产生一个本地频率补偿序列，将输入中频数据块依次乘以产生一个本地频率补偿序列，得到一个新的中频序列，将新中频数据块进行块累加(以1毫秒为块长度)，对块累加以后的数据进行常规的相关捕获或FFT捕获。

6.一种通过蜂窝手机网短消息传送GPS辅助信息的方法，该方法利用预设的GPS接收机基站接收GPS定位信息，将蜂窝基站的精确位置事先标定，根据标定的蜂窝站精确位置计算差分数据信息，包括电离层、对流层延迟矫正量，卫星种差矫正，以及实时的可见卫星集合，单颗卫星的伪码相位和载波多普勒频移，经过压缩算法将以上诸量的数据量压缩，然后通过蜂窝网短消息的方式发送给蜂窝基站覆盖范围内的定位终端；在定位终端方面，通过无线链路接受到差分站发送的差分修正量，将公共误差项剔除。