CN101971046A - 导航数据获取和信号后处理 - Google Patents

Abstract

导航系统包括：无线接收机，用于导航卫星信号的数据获取；存储器，其中存储那些信号的采样；以及后处理单元，用于对所述存储器中的数据进行重放和信号处理，以当所述无线接收机获取了初始导航卫星信号时提取所述无线接收机的初始定位。

Description

导航数据获取和信号后处理

相关申请

本申请要求于2007年11月25日递交的、名称为“GNSS RECEIVERWITH SEPARATE DATA ACQUISITION AND SIGNAL PROCESSING ANDRELATED METHODS AND APPARATUS”的美国临时专利申请60/989,945的权益。

技术领域

本发明涉及导航卫星系统，具体上涉及用于位置求解的设备，其中，数据获取和信号处理在时间和空间上分离，并且所述位置求解不是实时需要的并且可以被批处理。

背景技术

一般来说，期望全球导航卫星系统(GNSS)接收机提供定位，所述定位或者是通过纬度、经度和高度来描述，或者是通过地图上的图标来描述。作为副产品，GNSS接收机也可以提供速度、航向和很准确的时间信息。全自动的GNSS接收机——没有从外部源获得的任何种类的时间、位置、多普勒或者历书(almanac)辅助信息——在搜索来自轨道卫星的快速改变的信号中可能仅在相当大的延迟后才产生第一方位(fix)。

在全自动GNSS接收机中获得最初定位所需要的长时间可能消耗便携设备中的大量电池电力。在许多应用中，GNSS接收机必需保持开启，从而可获得更新的定位来与照片和其他对象相关联。

无线接收机的灵敏度是接收机工作所需要的最小射频信号强度的测量。在自动GNSS接收机中，所接收的信号强度必需足够好以能够对通过卫星广播的导航消息数据进行解调。

辅助GNSS接收机需要少得多的时间来获得最初方位，因为多普勒信息、历书、时间和星历表都在辅助数据中被移交，而不必从通过卫星广播的信号中获得。在累加器中的相关处理增益允许对于微弱得被深埋在噪声中的信号获得伪距。因此，如果不必对导航消息进行解调，则效果是GNSS接收机具有大得多的灵敏度。事实上，一些辅助GNSS接收机如此灵敏以至于它们可以在室内和船的甲板下工作。

在定位尝试之前需要GNSS辅助，并且可以通过到服务器的活动数据连接、信标或者通过综合辅助来获得GNSS辅助。用于产生综合辅助的任何数据的最大期限将仅仅为几天。其后，需要重新建立到服务器的另一个数据连接以获得新的信息。综合辅助还需要获得用户的大致位置，因此辅助信息可以被构造为特别相关和有用。例如，多普勒信息是独特的小区域特有的，因此用户在哪个区域对于了解需要发送什么信息来说变得很重要。

一般来说，非辅助和辅助接收机都是昂贵的，因为它们通常需要专用硬件来进行信号相关。在GNSS接收机与其他设备集成的情况下，其通常不共享数据获取设备中的已有存储器。通常一秒一次地计算位置，而这不可能为快速移动的设备和应用提供足够的空间分辨率。

发明内容

简而言之，本发明的导航系统实施例包括：无线接收机，用于导航卫星信号的数据获取；存储器，其中存储那些信号的采样；以及后处理单元，用于对所述存储器中的数据进行重放和信号处理，以当所述无线接收机获取了初始导航卫星信号时提取所述无线接收机的初始定位。

本发明的导航系统实施例的优点在于，当需要辅助信息但是此时不能获得辅助信息时可以获得定位。

本发明的导航系统实施例的另一优点在于，即使当接收机此时未被操作足够长的时间时也可以获得定位。

本发明的导航系统实施例的再一优点在于，即使当接收机未被操作长于一秒时也可以获得定位。

本发明的导航系统实施例的又一优点在于，可以在消耗便携单元中的电池很少的电力情况下来获得定位。

本发明的导航系统实施例的另一优点在于，可以以定位之间的很短的时间间隔来获得一系列定位，所述很短的时间间隔可以是毫秒数量级，这与传统设备中通常为一秒不同。

在阅读了各个附图中说明的优选实施例的以下详细描述之后，本发明的这些和其他目的和优点对于本领域技术人员将无疑变得显而易见。

附图说明

图1是本发明的系统实施例的功能框图，所述系统实施例包括至少一个GNSS数据获取单元和一个后处理器；

图2是本发明的GNSS数据获取单元实施例的功能框图；

图3A-3C是在本发明的组合实施例中的GNSS数据获取单元和存储器的三种不同配置的功能框图；以及

图4是本发明的方法实施例的流程图，其中，多普勒频移测量用于解决整周模糊度，并且对于最初定位提供更快的时间。

具体实施方式

图1表示本发明的系统实施例，在此通过总标号100来指代。系统100包括独立的GNSS数据获取单元102，其收集从GNSS卫星传输内容采样的原始数字化射频(RF)或者中频(IF)数据。数个GNSS数据获取单元102可以用于独立地收集对应于操作其的位置和时间的GNSS卫星传输内容，并且单个GNSS数据获取单元102可以在不同的时间被部署到不同的位置——如果对其的时间安排是合乎实际的。

单个或多个后处理器104然后可以用于分别地批处理原始数字化RF或者IF数据采样。当收集到对应的原始数字化RF或者IF数据采样时，将至少提取相应的GNSS数据获取单元102的位置。后处理器104也可以用于提取关于GNSS数据获取单元102的移动的速度、时间和其他导航数据以及过去访问过的位置，所述GNSS数据获取单元102对应于所收集的原始数字化RF或者IF数据采样。

辅助信息消息106可以由外部GNSS辅助服务器提供，所述外部GNSS辅助服务器包括与收集和报告所述原始数字化RF或者IF数据采样的位置和时间相关的辅助信息。这样的辅助信息可能像差分校正所需要的信息一样简便，或者可能像进行快速高灵敏度的室内GNSS定位所需要的完整的历书、星历表、多普勒和时间信息一样艰巨。所述辅助信息也可以包括在数据消除技术中使用的、通过卫星广播的原始数据位。这样的辅助信息消息106可以由因特网服务器基于预订而提供。

在收集了原始数字化RF或者IF数据采样之后并在这些采样需要被处理来进行位置求解之前的任何时间，可以良好地接收辅助信息消息106。

可以在任何适当的存储介质或者通信设备上向后处理器104提供来自每个独立的GNSS数据获取单元102的原始数字化RF或者IF数据采样。所述任何适当的存储介质或者通信设备诸如USB驱动器、SD卡、因特网、电话、无线设备等。这样的提供是单向的，并且不必实时地进行。对于所涉及的提供延迟没有任何实际限制。根据某个标识设备来标注原始数字化RF或者IF数据采样，以便将它们彼此相区别。

在对于某个第三方有某种意义的时间和位置收集原始数字化RF或者IF数据采样。所述位置诸如拍摄照片或者视频帧的位置。所述标识设备用于将原始数字化RF或者IF数据采样和它们的最后位置解与所述照片或者视频帧的创建相关联。例如对于识别和盘点所拍摄的对象或者使能视频帧的时间同步来说，精确地知道何处和何时拍摄这些照片或者视频帧可能是重要的。

GNSS数据获取单元102包括微波天线108、射频(RF)前端110，用于从轨道卫星接收GNSS信号并且将它们下变频为中频(IF)。数字化器112用于对RF、IF或者基带进行采样，并且其收集原始数据以存储在非易失性归档存储器(archive memory)114中。非易失性归档存储器114可以是闪速存储器类型，如在USB驱动器和SD卡中通常使用的那些类型。

定时器116限制RF 110和数字化器112何时被操作和用来收集原始数据以存储在归档存储器114中，以及被操作和使用多长时间。操作的长度可以非常短，小于一秒。这有助于延长电池118的寿命。所收集的数据可以甚至是短达一毫秒的记录，因为GNSS数据获取单元102将能够反复播放所述采样，以进行用于获取和跟踪所需要的所有载波和码搜索。GNSS数据获取单元102还将能够应用成百甚至上千的软件相关器，因为重放和相关不必实时地进行。辅助信息消息106还将有助于能够从一毫秒那么短的采样记录中提取有用的导航解。

例如，在一个实施例中，整个GNSS数据获取单元102可以被内置在存储卡或者USB驱动器中，并且所述存储卡或者USB驱动器可以被插到照相机中。所述照相机然后触发GNSS数据获取单元102，并且其获得的原始数字数据采样将通过ID标注而与所创建的图像相关联。所述存储卡或者USB驱动器然后在某个时间之后被移除并被提供给后处理器104，以获得所拍摄的图像的位置解。

后处理器104包括：输入120，用于接收所收集的GNSS数据采样；以及基带数字信号处理器(DSP)122，用于从经下变频的GNSS传输内容的数字化采样中提取导航位置解。用于DSP 122的各种市售的单芯片解决方案包括STMicroelectronics的Vespucci STA2051 GPS控制器，但是使用相关器124的软件实现可以是有益的。诸如软件GPS接收机(SGR)这样的软件无线电(SDR)应用是可商业获得的，其将运行在个人计算机上，并且使用从RF传感器获得的数据来工作。所述软件无线电(SDR)应用诸如NAVSYS公司(Colorado Springs公司)的SGR和PC/104标准产品。

重放存储器126允许使用各种频率和码相位假定来反复播放所收集的GNSS数据采样，以搜索和跟踪记录的人造卫星。当在所收集的GNSS数据采样的每次重放中提取更多的信息时，从这些重放中搜集和累积的提取信息128用于改善所述搜索和跟踪。最后的结果是位置解的输出130，所述位置解可以然后用于外部应用132中。

可以向外部应用提供其他信息段134，诸如数码照片或者视频文件。所述外部应用可以将位置解与这些其他信息段相关联。

图2表示本发明的实施例中的GNSS数据获取单元200。GNSS数据获取单元200包括天线202、RF时钟204、RF前端206、用于将采样数字化为IF数据流的模数转换器(ADC)208、存储器接口210、大容量存储单元212、实时时钟(RTC)214、微控制器216、计算机接口218、用于便携操作的电池220，以及电源管理器222。其还可以包括诸如加速计和罗盘这样的惯性制导部件，以向在操作期间获得的信息予以补充。

RF前端206用于调谐天线202接收的、来自GNSS卫星的RF信号。这些信号例如被下变频为中频(IF)(可以是几MHz)、基带DC(零中频接收机)或者非常接近0(近零IF接收机)。在第一种情况下，输出将是单个信号，而在零IF或者近零IF的情况下，产生同相(I)和正交(Q)信号以用于采样。随着未来技术的发展，可能在不进行任何下变频的情况下，例如在初始RF频率处获得采样。

通过单或者双ADC 208来对模拟信号数据进行采样和数字化。每次采样中的采样频率和ADC位的数量是预定的。典型的是一位的ADC。ADC208的输出是速率为每秒几兆比特(MBPS)的数据流。

所述数据流通过存储器接口210(通常是具有特定附加控制逻辑的先入先出(FIFO)缓冲器)，并且最后存储在大容量存储设备212中。大容量存储设备212通常是NAND闪速存储器芯片或者硬盘驱动器。通常是USB接口的计算机接口218允许向个人计算机或者其他设备传送所存储的数据。

RTC 214提供了用于与每个数据获取块相关联的时间标记。RTC 214通常使用32.768kHz的晶振，其可以保持连续地运行，因为这样的钟表晶振消耗很少的功率。可替代地，RTC定时器可以包括某种形式的温度补偿(TCXO)，以便改善在数据获取设备的工作温度范围上的时钟频率容差。获取时间标记的准确度越高，进行信号处理来获得明确的定位的任务越容易。

虽然是有帮助的，但是不严格要求包括RTC 214。如果不使用RTC，则可以以其他某种方式来获得时间信息，以帮助对数据捕获进行时间标记。或者，如果不使用时间标记，则可以随后从所捕获的数据中提取时间。

如果获取单元200在数据捕获时连接到计算机或者网络，则可以从外部获得时间标记信息。可以使用其他无线信号——诸如由美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology(NIST))广播的WWV时间——来获得精确的时间信息。其他不太直接的方法从普通的广播信号提取时间信息。

如果根本未提供时间标记，则系统借助于从GNSS数据捕获提取时间信息。如果捕获时间窗口足够长，例如至少6秒长，则将捕获GNSS子帧的开始。并且，如果RF信号足够强以允许导航消息的解调，则来自GNSS系统的星期时间(TOW)信息可以被解调，以提供非常精确的时间标记。

如果所捕获的GNSS信号太微弱，则TOW不能被直接地解调，并且在信号处理期间必需采用其他数据对准技术。如果这产生了模糊结果，则随后可以使用传统方法来对数种时间可能性进行筛选。

可以通过AC适配器或者通过USB或者其他计算机接口从外部提供工作电力和电池充电电力。电池220可以是可再充电的。

数据获取单元200可以是单独的单用途设备，或者可以被内置在诸如照相机、摄像机、录音机、数据记录器和播放机、存储卡、WLAN附件、膝上型计算机、便携计算设备、PDA等的其他设备中。

可以如当用户按下按钮时手动地，或者在特定的预编程时间处例如通过RTC 214自动地触发以下数据获取处理：接通电源和收集并向存储器记录数字化采样的数据流。单个触发事件、一系列触发事件或者定期的触发事件都可以被编程来响应来自传感器的信号。例如，当加速度超过某个预定门限值时从加速计触发。或者当环境温度超过某个设定点时通过恒温器触发。这些触发事件也可以通过其他独立的设备来计算或者转发。

外部触发事件的其他示例包括：当从另一设备进行的数据捕获发生时，当使用照相机拍摄画面时，在电影记录开始时，当语音记录事件发生时，当向存储器写入某个数据时，当写入特定类型的数据时，当所写的数据超过特定数量时等。

可以通过有线、无线、光学、声音等方式来传送触发事件。例如，照相机闪光灯的闪光将是一种有用的方式，用于当随后需要针对所拍摄的画面计算位置解时触发数据获取。

在一些应用中，所述获取单元被配置来持续地存储GNSS原始IF数据。可以使用循环缓冲器架构，其中，旧数据被新进入的数据重写，从而允许所述单元总是保存多达由可用存储量限制的特定大小的更新的数据。在这种情况下，可以使用触发事件来停止获取处理，这与之前示例中开始获取处理相反。获取收集的实际结束可以是触发立即结束，或者是在触发后的预定时间间隔之后结束。在具体应用中可能需要甚至更精心设计的触发机制。例如，可以使用双信号手段，其中，第一信号用于供给(arm)触发，而第二信号表示实际触发。

图3A-3C表示用于封装和操作像图2那样的GNSS数据获取单元的三种不同的有用配置。在图3A中，组合设备300包括微控制器302与大容量存储设备304。可以发出触发306以使得GNSS数据获取单元308收集原始采样310并对原始采样310进行数字化，所述原始采样310将被存放在大容量存储设备304中，大容量存储设备304的主要功能可以是存储其他类似的数据，诸如数码照片、电影或者声音文件。

在图3B中，存储卡320被装备来发出无线触发322，所述无线触发322将被GNSS数据获取单元324接收。所述触发将使得原始采样被收集和数字化，以存放到内部大容量存储设备326中。在图3C中，存储卡330具有其本身的大容量存储设备332。来自存储卡330的无线触发334被GNSS数据获取单元336接收，以使得原始采样被收集和数字化，以存放到临时存储器缓冲器338中。所收集和经数字化的原始采样然后通过无线连接340被传送到存储卡330和大容量存储设备332。

一旦原始GNSS IF数据被GNSS数据获取单元存储并且被转发到后处理单元，则需要处理所述数据以便可以提取定位。第一步骤是进行一个人造卫星(多个人造卫星)搜索。为了成功地检测来自每个人造卫星的很微弱的信号，在进入的信号和所述信号的本地拷贝之间进行信号相关。针对每个人造卫星记录的信号将由于不同的人造卫星位置和相对的接近速度而导致具有不同的码相位和不同的多普勒频移。因此，可能的码相位和多普勒频移的每种组合将用于定义假定二值组(bin)。在每个人造卫星的码和频率搜索期间，将对于每个假定二值组重复所述相关处理，直到检测到相关器输出中的峰值。这些峰值指示已经发现了正确的码相位和多普勒频率二值组。

在传统的GNSS接收机中，满足实时数据处理要求是很有挑战性的。因此，通常使用被集成到GNSS接收机中的专用硬件来实现相关处理。

在本发明的大多数实施例中，对于相关处理而言都没有实时方面的压力，并且可以使用便宜得多的相关器。例如，可以通过外部可用的个人计算机来执行软件相关器。

一般的导航接收机信号处理可以由以下设备来执行：主机处理器、诸如Intel的MMX协处理器的专用协处理器，或者诸如图形处理器单元(GPU)的外围控制器。鉴于GPU能够很有效率地处理简单的重复并行操作，所以使用GPU进行这种类型的计算极其有吸引力。大多数个人计算机GPU厂商——诸如ATI和NVidia——提供了应用编程接口(API)，来将它们的处理器用作通用单元。另一种选择是向在因特网上的服务器上传原始GNSS IF数据，以用于信号处理本身，或者解析和重新分发到以分布式计算架构连接到因特网的数个专用服务器或者通用计算机器。这可以显著缩短用于计算每个定位所需要的时间，因为可以使用各种专家库和专用库。

一旦后处理已经发现所有的人造卫星，则进行码相位和多普勒频移的更精细的测量。码相位测量的准确度对于获得良好的伪距并且由此获得准确的定位而言是关键的。

用于准确测量码相位的一种具体方法是首先将信号与制成的伪噪声(PN)拷贝序列相关，伪噪声(PN)序列对于每个人造卫星是独特的。当在进入的PN序列的码相位和PN拷贝的码相位之间的时间对准是精确的时，当查看产生的信号的频谱时，将看到对应于多普勒频移的线。如果码相位对准不是精确的，则将观察到通过PN序列的码片率(对于GPS C/A码而言为1.023MHz)相间隔的其他频谱线。当任何未对准增大时，其他频率分量的幅度也增大。因此，可以通过选择最小化较高频频谱线分量的幅度的码对准来确定正确地码相位。

在后处理中的下一个步骤是求解导航方程(方程1)，即有三个用户位置量和一个绝对接收机时钟偏差量是未知量的方程组。在传统的手段中，假定人造卫星位置是已知的，因为一旦每个卫星的正确发送时间是已知的，则在导航消息中的历书和星历表描述了它们在哪里。

因为有四个未知量，因此将需要测量来自至少四个人造卫星的测值来确定位置。每个人造卫星的测量对4元联立方程(4-way simultaneousequation)中问题的一方面有贡献。因为可以测量伪距，所以假定伪距是已知的。伪距表示用户和每个人造卫星之间的距离加上对于所有人造卫星的公共偏移。从码相位测量和每个人造卫星的发送时间确定伪距。

对于关注的每个卫星#j：

${\mathrm{\ρ}}_j=\left|\right|{\stackrel{\→}{p}}_j-\stackrel{\→}{u}\left|\right|+c.(t_u-{\mathrm{\δt}}_j)---\left(1\right)$

其中，

ρ_j是人造卫星#j的伪距——根据精细码相位和发送时间提取来测量；

c是光速——已知；

是用户位置——未知，要被确定；

是人造卫星#j的位置——从星历表和时间信息获得；

t_u是接收机公共时钟时间偏移——未知，要被确定；并且

δt_j是人造卫星#j的时钟偏移校正——基于星历表信息。

需要关于每个人造卫星的两段信息来确定它们在任何一个时刻的位置。所述信息即：作为定义人造卫星轨道模型的一组参数的星历表；以及发送用于测量的信号的对应时间。

每个人造卫星的发送时间的确定对于求解导航方程系统是关键的。可以通过下述方式来识别发送时间：分析进入的信号的数据序列，并且确定该特定部分适配在由卫星每毫秒发射的整个伪随机码序列中的何处。或者，所述发送时间可以作为额外的未知量被包括在导航方程系统的求解中。

在第一种情况下，问题基本上在于将所接收的信号的码序列与预期的信号的码序列的部分对准。如果数据获取单元102(图1)例如在相对长的时间窗口上捕获数据，则在其采样中可能已经收集了能够求解发送时间秘密的足够信息。例如，如果信号电平足够强从而允许可靠的数据解码，并且如果数据捕获有至少6秒长，则由后处理单元104解调的数据例如应当具有星期时间(TOW)的时间标记。这将明确地允许发送时间的确定。

如果数据捕获窗口较小但是仍然足够长从而包含数个数据位(对于GPS C/A码，每个有20毫秒)，并且如果当数据捕获发生时在时间窗口中发生数据位转变，则传统的数据对准技术可以用于不同的对准假设。诸如图1中的106这样的任何辅助服务器应当能够提供GNSS广播数据位序列信息。

这样的数据位序列也可以用于数据消除技术的搜索处理中，并且进一步增大相关处理的处理增益。虽然是计算密集型的，但是这种技术可以将接收机的灵敏度提高到超过传统的辅助GNSS接收机的水平。

存在在数据时间窗口中未捕获到数据位转变的情况。对于GPS C/A码而言，当在GNSS信号结构的子帧4或者5期间发生数据获取时，这是特别关键的。在一些情况下，这些没有位转变的时间窗口可能长于一秒。在这些情况下，不能将数据对准技术用于发送时间提取目的。

如果时间标记信息对于确定在很可能没有位转变的时间间隔中是否发生触发事件而言足够准确，则微控制器216例如可以将数据获取处理延迟到很可能发生位转变的时间窗口。可替代地，可以执行双数据捕获，第一数据捕获发生在触发时，第二数据捕获随后发生在更有利的时间窗口期间的时间内。第二数据捕获可以被分析以提取精确的时间信息。这个精确的时间可以然后用于通过确定在第一和第二数据捕获之间过去的时间量来将对于GNSS信号的第一数据捕获安排(line up)到一毫秒——PN码的持续时间——内。因此，可以通过分析第二数据捕获以提取精细的定时信息而精确地确定在触发时进行的第一数据捕获的地理位置。

如果时间标记对于确定在不利的时间窗口期间是否发生触发而言不够准确，或者如果根本没有时间标记，则可以将数据捕获持续时间延长以提高在数据捕获中发生位转变的概率。这在存储器空间方面具有高成本，因为可能需要捕获占有数秒的数据。可以在多个相对短的时间窗口期间发生获取。这些窗口间将在时间上适当地相间隔，以最大化在这些时间窗口至少之一中发生位转变的概率。如果之前数据获取允许的发送时间提取和时间标记信息对于确定较早和当前的数据捕获之间的时间间隔而言足够准确，则可以通过将从较早的数据捕获获得的发送时间加上时间标记差来确定当前数据捕获的发送时间。与时间标记的最大不可预测时间漂移相关联的、在这两个数据捕获之间的时间间隔将确定这种技术是否可以提供具有时间提取目的所需要的足够准确度的传播时间。

另一种非常不同的手段是将发送时间作为未知量包括在求解导航方程系统中。在这种情况下，重要的是知道在正被使用的人造卫星中的传播延迟在整数毫秒上的粗略差别。以这种方式，与每个人造卫星的独立未知量不同，在所有的人造卫星中可以用单个未知量来表示发送时间。因此，在导航方程系统中的未知量的数量从4提高到5。因此，现在至少需要5个人造卫星来求解所述方程系统。

用于确定来自每个人造卫星的传播时间上的粗略差别的一种方式是具有相邻者的粗略位置信息。这通常需要离实际位置不超过150千米，以提供明确的传播时间差信息。由人造卫星发送的PRN码序列每毫秒重复，并且该信号将在该时间内传播300千米。如果位置不确定性大于其一半，即150千米，则变得需要在粗略传播时间差上尝试不同的假设。在传统辅助GNSS系统中，这种粗略的位置信息被称为z计数(z-count)或者整数毫秒，并且通过不必求解所谓的整周模糊度问题而节省了大量的时间和工作。

在传统的手段中，一旦已经通过求解伪距方程系统而确定了用户位置，则使用多普勒频率方程系统来确定用户的速度和接收机时钟的频率偏移。

本发明的实施例假定当使用多普勒频率方程系统时用户速度是可忽略的。粗略的时间标记用于人造卫星位置和速度的确定。多普勒频移测量可以替代地被反向使用以求解大致的用户位置。然后可以在伪距方程中使用这个有利开始来计算位置解，因此可以非常迅速地获得最后的准确位置。

但是，因为多普勒频移测量不像码相位测量那样准确，并且因为正在使用粗略时间信息，因此得到的所计算的位置不像从伪距方程获得的位置那样准确。但是，在许多情况下，用户位置的多普勒频移测量确定对于用作随后用于确定在人造卫星中的粗略传播时间差的粗略位置而言将足够准确。至少，对于将粗略传播时间差假设限制在小得多的可能性内而言将足够准确。

一旦获得粗略位置，则可以使用伪距方程来确定精细的定位和绝对的发送时间。在码相位和人造卫星时钟偏移的任何校正之后，可以将发送时间取整为毫秒的最近整数倍，或者如果位转变时刻是已知的则将其取整为20毫秒的最近倍数。也可以使用数据对准技术来将发送时钟偏移20毫秒的其他倍数。一旦获得了经调整的发送时间，则可以通过使用固定发送时间求解导航方程系统来进一步改善位置确定。

用于每个关注的人造卫星#j的多普勒频移方程系统是，

$c.\frac{(f_j-{f_T}_j)}{{f_T}_j}=\frac{({\stackrel{\→}{v}}_j-\stackrel{\→}{\stackrel{\·}{u}})\·(\stackrel{\→}{u}-{\stackrel{\→}{p}}_j)}{\left|\right|\stackrel{\→}{u}-{\stackrel{\→}{p}}_j\left|\right|}-c.{\stackrel{\·}{t}}_u---\left(2\right)$

其中，

c是光速；

f_j是人造卫星#j的载波频移，其包括多普勒频移，并且根据精细的频率信息来测量；

是人造卫星#j的发送载波频率(1.57542-GHz减去L1频带的人造卫星时钟频率误差)，其是已知的；

是从星历表和时间信息获得的人造卫星#j的向量速度；

是用户速度，其被假定为0；

是用户位置，其是要确定的主要未知量；

是人造卫星#j的位置，其可以从星历表和时间信息来获得；并且

是RF时钟频率偏移，其是要确定的未知量，

这样的技术可以用于在没有位置辅助的情况下将接收机的灵敏度提高到与提供了位置辅助的传统辅助GNSS接收机相同的水平。所述技术也可以用在用于独立载波辅助(carrier-independent assistance)的其他传统辅助GNSS接收机中，其中通常未提供位置辅助，例如用在蜂窝电话应用中，其中辅助提供者未访问服务小区信息或者不知道服务蜂窝基站的坐标。

图4表示方法400，用于即使在没有位置辅助信息的情况下也改善产生最初定位所需的时间并且减少所需的工作。方法400包括两个部分，在一个部分中使用如上所述的多普勒频移测量来找出粗略位置，并且在第二部分中使用所找出的粗略位置来辅助伪距方程的求解。具体上，步骤402获得需要输入到方程2，

的多普勒频移测值。步骤404求解方程2，并且得出粗略位置解，其中，用户位置没有对于任何可观察的卫星的伪距整周模糊度，或者其中，由于伪距整周模糊度，可能的用户位置的数量被减少为一小组解。步骤406测量到可观察的卫星的伪距。步骤408使用较早获得的粗略位置来求解方程1，

步骤410输出非常详细的、准确的用户位置解。

所获得的位置给出了在特定的时刻的用户位置。这些时刻是任意选择的，并且可能出现在数据获取时段中的任何时间点处。任何任意选择的测量时刻必须被限定，以适当地补偿由于用户到人造卫星距离的改变而导致在整合时段上的相关峰值的漂移。即使当在相对长的时段上相关进入的信号时也是如此。

在传统的GNSS接收机中，必须实时地处理原始GNSS IF数据，并且通常每秒获得新的测值。确定两个测量时刻之间的位置是不可能的，因为可能已经丢弃了内插所需要的数据。

本发明的实施例不受此限制。可以重新处理初始数据，以重新计算在收集时间窗口中的任何时刻的位置。可以使用非常精细的测量时刻间隔来确定这些新的用户位置。在像事故重建分析这样的需要确定用户的详细轨迹的情况下，这会特别有用。

在GNSS数据获取单元200中的两个板载时钟——由RF前端206和ADC 208使用的RTC 214和RF时钟204——需要校准。对于RTC，通常可以根据在成功的定位期间获得的GNSS时间数据来校准已有的任何绝对时间偏移。所测量的偏移可以用于重新调整RTC时间，或者仅仅用于在信号处理单元中的补偿。

根据在时间上相间隔(优选地为数天)的方位的不同时间偏移，还可以估计RTC频率偏移信息，所述RTC频率偏移信息可以用于进一步改善时间标记信息。也可以根据时间标记与最近的时钟校准时刻(在时间上可以是向后或者向前的)相距多远和根据所估计的最差情况的时钟漂移，来估计RTC时间标记不确定性。当时间标记接近校准时刻时，这种容差将是紧密的，而当时间标记变得远离最后的校准时刻时，这种容差将逐渐地增大。当使用数据对准技术时，任何RTC时间标记不确定性都是重要的，以便限制时间搜索窗口。对于每个成功的新方位，获得精确的时间信息，其表示新的时间标记校准时刻。以这种方式，可以改善在这个新的校准时刻附近的时间标记容差。

可以通过求解多普勒频率方程系统来计算RF时钟频率偏移信息，并且RF时钟频率偏移信息或者被写回GNSS数据获取单元，或者被存储在信号处理单元中。保持跟踪所述偏移是重要的，以便在人造卫星搜索处理期间缩窄在多普勒频移维度上的搜索窗口。这节省了计算方位所需的处理时间，并且适当地补偿了在长的整合时间期间的任何码相位偏移。

提供例如辅助信息消息106的任何GNSS辅助服务器应能够为所有的人造卫星提供在过去任何给定时间的有效星历表信息。为此，必须维护数据库，以使用下述粒度来归档世界范围内的所有已有条件，所述粒度是通过星历表变陈旧有多快和需要多频繁地更新电离层改正而确定的。电离层改正提供了提高的准确度，并且历书信息帮助人造卫星可见度列表计算。

如果使用基于数据对准技术的数据消除和/或时间提取，则GNSS辅助服务器还应当在所关注的时间窗口期间向特定的人造卫星提供原始数据位序列。

这样的数据可以来自喷气推进实验室(JPL)和其他第三方来源。可替代地，可以建立和包括专用的数据收集网络。在这种情况下，如果期望全球覆盖，则在世界的不同地区需要地面站，以保证每个人造卫星在任何给定的时间对于至少一个站将是可见的。中央服务器可以从不同的站收集信息，组合这些信息，并且使得其对世界上的所有用户可用。可以部署冗余技术，以提高系统在单独部件发生故障的情况下的可靠性。

本发明的GNSS信号处理器单元的实施例可以被配置来直接与另一设备的应用层级进行接口连接。这些信号处理器单元可以简单地向所述应用层级提供位置、速度和时间信息。或者，可以包括信号处理器单元的输入。例如，当在地图上点击或者指定捕获特定的GNSS原始数据的州或城市时，用户可以提供粗略的位置辅助信息。例如当被提示在不同解候选中选择时，用户还可以帮助滤出差的位置解，否则所述不同的解候选对于信号处理器单元而言是模糊的。

在应用级，可以将位置信息与诸如数码照片、语音记录等的其他所捕获的数据合并。这种关联可以基于时间标记匹配或者某种其他的机制。一旦完成地理标注，则可以完成基于位置的分类和/或编组、映射、地图匹配、基于速度或者加速度信息的过滤，以及其他修整。例如，如果(由后处理器提供的)用户的相关联的估计速度或者加速度太高，则一种应用可以滤出图像文件。这种技术可以自动地检测可能模糊的图像。

单独的电池操作的便携GNSS数据获取单元可以像闪速驱动器或者钥匙链那样小，并且可以当用户按下按钮时获取GNSS数据。每当用户需要地理标注信息时，可以使用该单元。可替代地，可以通过某个其他事件从外部触发该单元。

在诸如数码相机、摄像机、录音机、媒体播放机等的其他设备中内置的GNSS数据获取单元对于希望将位置与特定的图像和/或者语音说明相关联的用户可以特别有用，所述用户诸如设施维护人员、房地产代理、警察等。

GNSS数据获得单元内置在存储卡中。如果所述存储卡保持与传统的存储卡机械地或者电气地兼容，则这个组合设备可以无缝地用在诸如数码相机、摄像机、记录器等的其他现有设备中。如果用户对地理标注感兴趣，则他/她可以通过替换存储卡来进行，而不是购买具有内置的地理标注能力的全新设备。

GNSS数据获取单元可以作为数据记录器，用于诸如在汽车碰撞、飞机黑匣子中或者建筑物毁坏中的快速事件重建。在这些情况下，所述单元将持续地记录最后固定时间量的GNSS数据，所述固定时间量可以具有秒或者分钟的数量级。诸如加速计的碰撞检测器可以触发获取处理的结束，其可以发生在触发时或者发生在之后的特定时间量处。所述单元必须足够坚固，从而至少大容量存储设备将承受住可能的碰撞。

GNSS数据获取单元具有大的存储量，用于长时间地记录情形或者测试地点信号。对于测试目的而言，与1Hz的传统接收机相比较，所收集的数据可以用于以1000Hz的更新速率来计算位置，或者所收集的数据可以用于通过绕过RF级将其馈送到测试平台并且允许重放和重建测试地点状况来优化检测和/或导航算法。

在本发明的一个商业模型实施例中，根据例如使用数据获取设备102、200、300、324或者336获得的定位的数量来对每个用户收费。这可以由GNSS辅助服务器控制，所述GNSS辅助服务器还可以包含计费功能。

在从接近标注位置的本地企业做广告中，辅助服务器可以提供接近标注位置的企业或者在一定程度上与被标注的位置相关的企业的广告或者点击支付链接。

可以销售识别用脚投票的人们的营销信息。关于与特定用户类别有关的位置标注的信息，或者关于与限定的地理区域中的标注相关联的用户类型的信息可以被销售以用于市场调查的目的。这种类型的信息可以用于表征特定的个体或者特定的一类个体的生活方式或者消费习惯；或者表征拜访特定位置的个体的类型。

提供服务器侧信号处理并收费。用户将诸如时间标记、加速度、罗盘信息等的原始IF和其他收集的数据上传到远程服务器以转换为坐标。可以针对诸如数据消除这样的高级处理或者其他技术收取额外费用。

虽然已经根据目前的优选实施例描述了本发明，但是应当明白，本公开并不被解释为是限制性的。在阅读了上述公开之后，各种变型和修改对于本领域技术人员无疑将变得显而易见。因此，意图将所附权利要求解释为涵盖落入本发明的“真实”精神和范围中的所有变型和修改。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于记载先前访问的位置的系统，包括：

无线接收机，用于在随后访问的时间和位置处对导航卫星信号进行接收、下变频、数字采样和收集；

定时器，用于控制何时对所述导航卫星信号进行接收、下变频、数字采样和收集以及进行多长时间；

非易失性归档存储器，用于记录所述定时器允许被接收、下变频、数字采样和收集的所有卫星信号的采样记录；

当所述定时器允许所述无线接收机对所述卫星信号进行接收、下变频、数字采样和收集时所述采样记录针对与已访问的那些时间和位置基本不同的时间和位置的通信；

后处理单元，其被提供所述通信，并且能够对所述归档存储器中的采样记录进行重放和信号处理，并且针对所述先前访问的时间和位置计算所述无线接收机的时间和定位，而所述时间和定位不表示所述无线接收机当前所处位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，如果所述访问的时间和位置处的速度或者加速度被确定为超过某个门限值，则所述后处理单元滤出文件信息或者使用标注的人工信息。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

所述先前访问的时间和位置处的图像和/或声音的数字媒体记录，在所述先前访问的时间和位置中，所述无线接收机获取所述导航卫星信号并且在所述归档存储器中存储所述采样记录。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：

非实时的历史辅助信息，其被提供给所述后处理单元，并且所述非实时的历史辅助信息与所述定时器允许所述无线接收机接收所述导航卫星信号并且所述导航卫星信号作为所述采样记录被存储在所述归档存储器中的时间和位置相关。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

连接到所述后处理单元的重放存储器，所述重放存储器用于重复地重放从所述归档存储器传送的所述采样记录，以采用微弱信号频率和码相位假设来搜索和跟踪在所述先前访问的时间和位置处记录的任何人造卫星信号，并且，不断增加的讯息被用于跟踪和改善频率与码相位搜索，所述不断增加的讯息是提取自从数量不断增加的重放搜集和累积的信息。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述后处理单元通过下述方式来测量所述先前访问的时间和位置处发生的码相位：首先将用所述采样记录表示的所接收的信号与制成的伪噪声(PN)拷贝序列进行相关，并且当在用所述采样记录表示的进入的PN序列的码相位和所述PN拷贝的码相位之间的时间对准精确时，则查看产生的信号的频谱来找到对应于多普勒频移的线，而如果码相位对准不精确，则观察到通过所述PN序列的码片率相间隔的其他频谱线，由于随着任何未对准增大，其他频率分量的幅度也增大，所以可以通过选择最小化较高频率的频谱线分量的幅度的码对准来确定用所述采样记录表示的正确的码相位。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述后处理单元根据所述归档存储器中包括的采样记录来计算在所述定时器限定的收集时间窗口中的时刻处访问的位置，并且使用非常精细的测量时刻间隔来确定所述先前访问的位置和时间。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，在时间上相间隔的方位的各个时间偏移用于在所述后处理单元中估计实时时钟(RTC)频率偏移信息，以改善访问时间信息，并且用于根据时间标记相距最近的时钟校准时刻有多远和根据所估计的最差情况时钟漂移来估计任何RTC时间标记不确定性。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括：

用户设备，其能够向所述后处理单元提供粗略位置辅助信息，并且用于允许用户从许多候选位置中选择粗略的用户位置。

10.一种用于记载先前访问的时间和位置的全球导航卫星系统(GNSS)数据获取单元，包括：

射频(RF)前端，用于在随后访问的时间和位置处对导航卫星信号进行接收、下变频；

数字采样器，用于获得所述导航卫星信号在下变频之后的数字采样；

定时器，用于控制所述RF前端和数字采样器何时对所述导航卫星信号进行接收、下变频、数字采样和收集以及进行多长时间；以及

归档存储器，用于将所述数字采样封装和存储到对应于所述访问的时间和位置的采样记录中；

其中，不计算和输出时间和位置解，仅有的实际输出是所述采样记录到外部设备的通信。

11.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

标注，用于将所获得的所述采样记录与照片相关联，所述照片是在所述先前访问的时间和位置处获取的。

12.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

循环缓冲器，其被布置在所述归档存储器中，其中，用进入的新数据重写旧数据，由此允许所述单元总是保存更新的数据。

13.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

来自外部源的触发，其将使得开始或者停止收集所述数字采样。

14.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果时间标记信息对于确定在很可能没有位转变的时间间隔中是否发生触发事件而言足够准确，则使用设备来将数据获取延迟到更可能发生位转变的时间窗口。

15.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

双数据捕获包括在所述触发的时刻进行的第一捕获，和随后在更有利的时间窗口期间的时间内进行的第二捕获，所述第二捕获被分析来提取精确的时间信息，并且这样的精确时间用于通过确定在第一和第二数据捕获之间过去的时间量来将对于GNSS信号的所述第一数据捕获安排到一毫秒——PN码的持续时间——内，因此，能够通过分析所述第二数据捕获以提取精细的定时信息而精确地确定在所述触发的时刻进行的所述第一数据捕获的地理位置。

16.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果时间标记对于确定在不利的时间窗口期间是否发生触发而言不够准确，或者如果根本没有时间标记，则将数据捕获持续时间延长以提高在数据捕获中发生位转变的概率，并且获取能够在时间上相间隔的多个相对短的时间窗口期间发生，以便最大化在至少一个所述时间窗口中发生位转变的概率。

17.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果之前数据获取允许的发送时间提取和时间标记信息对于确定在较早数据捕获和当前数据捕获之间的时间间隔而言足够准确，则通过将从所述较早数据捕获获得的发送时间加上时间标记差来确定所述当前数据捕获的发送时间，并且与时间标记的最大不可预测时间漂移相关联的、在这两个数据捕获之间的时间间隔将确定是否可以为传播时间提供针对时间提取的足够准确度。

Claims (20)

1.一种导航系统，包括：

无线接收机，用于导航卫星信号的数据获取；

归档存储器，在所述归档存储器中将那些信号的采样存储为采样记录；以及

后处理单元，用于对所述归档存储器中的所述采样记录进行重放和信号处理，以当所述无线接收机获取了初始导航卫星信号时提取所述无线接收机的初始定位；

其中，所述无线接收机和归档存储器与所述后处理单元分离，并且仅仅在一个方向上非实时地传送所述采样记录。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，如果速度或者加速度被确定为超过某个门限值，则所述后处理单元滤出文件信息或者使用标注的人工信息。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

数字媒体记录，其与所述无线接收机获取所述导航卫星信号并且在所述归档存储器中存储所述采样记录的时间和位置相关联。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：

非实时的辅助信息，其被提供给所述后处理单元，并且所述非实时的辅助信息与所述无线接收机获取所述导航卫星信号并且在所述归档存储器中存储所述采样记录的时间和位置相关。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

所述后处理单元可用的重放存储器，所述重放存储器用于重复地重放从所述归档存储器传送的所述采样记录。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述后处理单元通过下述方式来准确地测量码相位：首先将所接收的信号与制成的伪噪声(PN)拷贝序列进行相关，并且当在进入的PN序列的码相位和所述PN拷贝的码相位之间的时间对准精确时，则查看产生的信号的频谱来找到对应于多普勒频移的线，而如果码相位对准不精确，则观察到通过所述PN序列的码片率相间隔的其他频谱线，由于随着任何未对准增大，其他频率分量的幅度也增大，所以可以通过选择最小化较高频率的频谱线分量的幅度的码对准来确定正确的码相位。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，重新处理任何初始数据以重新计算在收集时间窗口中的时刻处的位置，并且使用非常精细的测量时刻间隔来确定新的用户位置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，在时间上相间隔的方位的不同时间偏移用于估计RTC频率偏移信息，以进一步改善时间标记信息，并且用于根据时间标记相距最近的时钟校准时刻有多远和根据所估计的最差情况时钟漂移来估计RTC时间标记不确定性。

9.根据权利要求1所述的GNSS数据获取单元，还包括：

用户设备，其能够向所述后处理单元提供粗略位置辅助信息，并且用于允许用户从许多候选位置中选择粗略的用户位置。

10.一种全球导航卫星系统(GNSS)数据获取单元，包括：

射频(RF)前端，用于获取导航卫星信号；

数字采样器，用于获得所述导航卫星信号的数字采样；

定时器，用于限制将所述RF前端和数字采样器操作多长时间；以及

归档存储器，用于向采样记录中封装和存储在有限时间期间获得的I和Q数字采样。

11.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

所获得的所述数字采样与独立对象的关联，所述独立对象在所述有限时间期间与接收机同时存在并且接近所述接收机。

12.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

标注，用于将所获得的所述数字采样与照片相关联，所述照片在所述有限时间期间与接收机同时存在并且接近所述接收机。

13.根据权利要求10所述的GNSS数据获取单元，还包括：

循环缓冲器，其被布置在所述归档存储器中，其中，用进入的新数据重写旧数据，由此允许所述单元总是保存更新的数据。

14.根据权利要求9所述的GNSS数据获取单元，还包括：

来自外部源的触发，其将使得开始或者停止收集所述数字采样。

15.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果时间标记信息对于确定在很可能没有位转变的时间间隔中是否发生触发事件而言足够准确，则使用设备来将数据获取延迟到更可能发生位转变的时间窗口。

16.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

双数据捕获包括在所述触发的时刻进行的第一捕获，和随后在更有利的时间窗口期间的时间内进行的第二捕获，所述第二捕获被分析来提取精确的时间信息，并且这样的精确时间用于通过确定在第一和第二数据捕获之间过去的时间量来将对于GNSS信号的所述第一数据捕获安排到一毫秒——PN码的持续时间——内，因此，能够通过分析所述第二数据捕获以提取精细的定时信息而精确地确定在所述触发的时刻进行的所述第一数据捕获的地理位置。

17.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果时间标记对于确定在不利的时间窗口期间是否发生触发而言不够准确，或者如果根本没有时间标记，则将数据捕获持续时间延长以提高在数据捕获中发生位转变的概率，并且获取能够在时间上相间隔的多个相对短的时间窗口期间发生，以便最大化在至少一个所述时间窗口中发生位转变的概率。

18.根据权利要求14所述的GNSS数据获取单元，其中：

如果之前数据获取允许的发送时间提取和时间标记信息对于确定在较早数据捕获和当前数据捕获之间的时间间隔而言足够准确，则通过将从所述较早数据捕获获得的发送时间加上时间标记差来确定所述当前数据捕获的发送时间，并且与时间标记的最大不可预测时间漂移相关联的、在这两个数据捕获之间的时间间隔将确定是否可以为传播时间提供针对时间提取的足够准确度。

19.一种用于确定用户位置的方法，包括：

从采样自轨道导航卫星的信号获得多普勒频移测值；

求解 $c.\frac{(f_j-f_{T_j})}{f_{T_j}}=\frac{({\stackrel{\→}{v}}_j-\stackrel{\→}{\stackrel{\·}{u}})\·(\stackrel{\→}{u}-{\stackrel{\→}{p}}_j)}{\left|\right|\stackrel{\→}{u}-{\stackrel{\→}{p}}_j\left|\right|}-c.{\stackrel{\·}{t}}_u,$

其中，

c是光速；

f_j是人造卫星#j的载波频移，其包括多普勒频移，并且根据精细的频率信息来测量；

是人造卫星#j的发送载波频率，其是已知的；

是从星历表和时间信息获得的人造卫星#j的向量速度；

是用户速度，其被假定为0；

是用户位置，其是要确定的主要未知量；

是所述人造卫星#j的位置，其从星历表和时间信息来获得；并且

是RF时钟频率偏移，其是要确定的未知量；

从用户位置获得所述轨道导航卫星的伪距测值；

然后求解 ${\mathrm{\ρ}}_j=\left|\right|{\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}}_j-\stackrel{\→}{u}\left|\right|+c.(t_u-{\mathrm{\δ}t}_j),$

其中，

ρ_j是人造卫星#j的伪距——根据精细的码相位和发送时间提取来测量；

c是光速——已知量；

是用户位置——要被确定的未知量；

是所述人造卫星#j的位置——从星历表和时间信息来获得；

t_u是接收机公共时钟时间偏移——要被确定的未知量；并且

δt_j是人造卫星#j的时钟偏移校正——基于星历表信息；以及输出用户位置解。

20.一种全球导航卫星系统(GNSS)数据获取单元，包括：

存储卡，用于存储数字媒体记录；

射频(RF)前端，用于获取导航卫星信号，并且被全部布置在所述存储卡中；

数字采样器，用于获得所述导航卫星信号的数字化采样，并且被全部布置在所述存储卡中；

定时器，用于限制将所述RF前端和数字采样器操作多长时间，并且被全部布置在所述存储卡中；以及

归档存储器，用于向采样记录中封装和存储在有限时间期间获得的所述数字化采样，并且被全部布置在所述存储卡中。

Images