CN103777217A - 用于减少首次定位时间的gnss接收器和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于减少首次定位时间的GNSS接收器和系统。该GNSS接收器通过利用诸如AM或FM电台信号、电视信号等的现有辐射机会信号的特性来减少首次定位时间，以减小与振荡器频率和相位相关联的不确定度，并且还利用历书和电池备用日期和时间来确定可见卫星并且减小与多普勒效应相关联的不确定度。该接收器可以基于一组信号频率使用多个机会信号来确定该接收器所在的城市或局部区域，并且还通过基于接收器处的相应机会信号的频率与信号的标称广播频率之差估计偏差来减小振荡器频率的搜索不确定度。

Description

用于减少首次定位时间的GNSS接收器和系统

本申请是原案申请号为200980118340.1的发明专利申请（国际申请号：PCT/CA2009/000702，申请日：2009年5月22日，发明名称：利用机会信号和辅助信息来减少首次定位时间的GNSS接收器）的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求Jonathan Ladd和Ptrick Fenton在2008年5月22日递交的美国临时专利申请第61/055189号“GNSS RECEIVER USING SIGNALS OF OPPORTUNITYAND ASSISTANCE INFORMATION TO REDUCE THE TIME TO FIRST FIX”的优先权，通过引用将该美国临时专利申请并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及用于减少首次定位时间（time to first fix）和接收器射频（RF）带宽两者的GNSS接收器和操作该GNSS接收器的方法。

背景技术

当捕获GNSS卫星信号时，接收器执行对涉及与卫星选择、多普勒频率以及接收器振荡器频率有关的不确定度的搜索。一般来说，该搜索涉及循环遍历所有可能的卫星选择，并且针对各卫星连续试验可能的频率和码相位延迟，以尝试获得卫星信号的频率和码锁定。对于频率和码相位延迟的各个组合，该接收器确定相关功率，以检查是否已经捕获卫星信号。因为每一个卫星发送独特的码，并且与相对于该接收器的不同相对运动相关联，所以该处理必须按搜索策略针对每一个卫星都执行。因此这种穷尽式搜索非常耗时。

与卫星选择有关的不确定度可以通过使用轨道卫星的有效历书、来自由接收器振荡器驱动的时钟的真实时刻、以及接收器的近似位置来求解。根据该历书、时刻和位置信息，接收器可以确定可见卫星，并且计算它们的期望多普勒频偏。然而，大部分接收器在下电周期后，不保持有效的位置或足够准确的时间。在没有历书、准确时间并且也没有有效位置的情况下，接收器必须在其搜索策略中循环遍历所有可能的卫星，如上所述。即使具有历书以及足够准确的时间和位置信息，该搜索仍经受时钟频率不确定度，这甚至使更受限的搜索策略耗时。而且，如果接收器在下电期间移动，则对于计算可见卫星和/或期望多普勒频率来说，保留的位置可能不再足够有效。

与多普勒频率和接收器振荡器频率有关的不确定度要求搜索针对多普勒频率扩展±4kHz，针对振荡器频率扩展±12kHz。振荡器频率不确定度的量值是接收器中使用的振荡器类型或定时晶体的函数。振荡器越精确（通常也越贵），它所生成的频率中的不确定度就越小。GNSS接收器中使用的典型振荡器因温度和老化效应而具有百万分之五到百万分之十（5到10ppm）的频率不确定度，10ppm等于附加±16kHz的多普勒不确定度。

对付多普勒不确定度和振荡器频率不确定度与相位不确定度中的任一个或全部两个导致更长的首次定位时间（TTFF），TTFF是GNSS接收器获得位置解所需的时间，并且典型地涉及捕获和跟踪来自至少四个GNSS卫星的信号。振荡器频率不确定度还要求更宽的射频（RF）带宽用于跟踪，从而因对RF干扰信号的敏感性增大而不利地影响了对更弱卫星信号的跟踪。

为了减少TTFF，已知现有的GPS接收器，如Eshenbach的美国专利5663735中所描述的接收器，可以利用调制到专用无线电信号上的数据，举例来说，如调制到美国国家标准技术协会（NIST）无线电信号上的时间通告。GPS接收器利用该时间通告来确定调制到正在捕获的GPS卫星信号上的两个数据比特之间的转变时间，进而确定GPS时间。而且，GPS接收器还可以使用调制到NIST无线电信号上的频率信息来去除接收器振荡器频率中的不确定度，尽管振荡器驱动时钟的相位不确定度仍存在。然而，伴随这种GPS接收器的问题之一是，NIST无线电信号在某些位置可能不可用。而且，即使NIST无线电信号可用，调制到该信号上的内容也不提供GPS接收器可以直接用于估计其位置的信息。

发明内容

GNSS接收器利用现有辐射机会信号（如AM或FM无线电信号、电视信号等）的特性，来减小与振荡器频率相关联的不确定度和振荡器驱动时钟相位不确定度。而且，GNSS接收器利用形式为所存储历书轨道卫星和电池备用日期和时间的辅助信息，来减小与多普勒效应相关联的不确定度。

GNSS接收器还可以使用多个机会信号的特性来确定该接收器所在的城市或局部区域，以便提供足够准确的位置估计（在100千米之内），以使能够使用历书。该接收器例如可以基于一组信号频率来确定所述城市或局部区域，这将在下面更详细地讨论。

一旦获知GNSS接收器所在的城市或局部区域，该GNSS接收器就可以使用地区机会信号的标称或公布频率，来确定对振荡器频偏的估计。GNSS接收器由此确定远程接收器处的机会信号的频率与该机会信号的标称频率之差，并将该差用作对振荡器频偏的估计，以消除或至少大大减小关联的±12kHz的搜索不确定度。

另外，GNSS接收器可以使用城市或区域位置信息和所存储的时间和日期来进入存储的历书，并且确定可见卫星，由此将穷尽式卫星搜索缩减为仅针对当前可见卫星进行搜索。而且，该接收器还可以计算关联的估计多普勒频偏，以消除或至少大大减小针对多普勒效应的±4kHz的搜索扩展。

首次定位时间（TTFF）由此显著减少，因为该接收器仅针对可见卫星进行搜索，并且搜索窗口不再需要满足与多普勒效应和振荡器频率相关联的较大不确定度。

当跟踪时，GNSS接收器可以锁相至机会信号的载波，并且使用电台或电视台时钟来稳定接收器振荡器。GNSS接收器接着可以在跟踪期间使用更窄的频带，这允许接收器跟踪更弱的GNSS信号。

该GNSS接收器可以被包括在使用GNSS基站接收器的系统中，该GNSS基站接收器具有已知位置和对于局部区域的至少大部分的足够清楚的天空视野。该GNSS基站接收器可以向远程接收器提供导航消息数据和数据符号边界信息。该远程接收器利用该数据和边界信息来执行数据“擦除”，这允许在捕获期间使用更长的累积时段，由此捕获更弱的卫星信号。另外，该GNSS基站接收器可以向远程GNSS接收器提供城市或局部区域信息作为辅助信息，并且该GNSS接收器接着可以确定哪些机会信号在该区域中，并且/或者使用该信息连同所存储时机和日期来进入历书。该基站接收器还可以向该远程接收器提供地区机会信号的更精确的广播频率和/或发送器的位置，以改进性能。

附图说明

下面，参照附图对本发明进行描述，其中：

图1是根据本发明构成的GNSS接收器的功能框图；和

图2是根据本发明构成的系统的功能框图。

具体实施方式

参照图1，远程GNSS接收器22被例示为通过可以是有线（虚线所示）或无线的连接部26连接至通信网络24，举例来说，如因特网或专用网络。该远程接收器包括一个或更多个处理器20、振荡器25以及振荡器驱动时刻时钟21，这些组成部分执行GNSS信号捕获和跟踪，并且按已知方式提供位置解。另外，该远程接收器包括电池备用实时时钟（RTC）27和存储器23，电池备用实时时钟（RTC）27在下电周期保持当前时间和日期，存储器23包含GNSS卫星信息的历书。实时时钟利用低功率振荡器和低功率定时保持逻辑按已知方式操作，在下电周期利用相对较少的电池电力来保持当前时间和日期。利用历书（大约一年不更新比较好）和当前时间和日期来减少首次定位时间，如下更详细讨论的。

远程接收器22包括射频（RF）前端28，该RF前端28接收来自GNSS卫星（在该图中用标号10总表示）的信号，并且还接收从多个高功率辐射器（如本地电台和电视台发送器、Beacon或Loran发送器等）（在该图中用标号30总表示）广播的信号。因其信号质量、已知发送位置以及连续广播而被选择的广播信号是“机会信号”，即，按各种频率并且出于诸如发送随机会话或对话目的而广播的信号。这与GNSS信号相反，GNSS信号例如由GNSS卫星按相同频率广播并且携带特定码。而且，与已知系统相反，当前系统利用机会信号的特性，而不利用调制到广播信号上的数据或信息内容。当前系统例如不利用广播信号中包含的发送时刻信息。在下面将这种高功率辐射器30称为“SOP发送器”。

远程接收器22可以利用机会信号来直接确定该接收器位于哪个城市或区域。该远程接收器由此针对机会信号进行扫描，并检查哪个城市或地区例如具有在利用同一组频率进行发送的电台和电视发送器。

SOP发送器30的位置通常已知或者可以根据由注册机构（举例来说，如美国联邦通信委员会或FCC）提供的信息而容易地确定。该信息可以例如通过因特网或专用网络24获得，或者保留在存储器23中，作为所存储区域地图的一部分。网络24还可以向远程接收器提供可用地区机会信号的列表，或者该接收器可以例如基于接收器处信号的场强和/或载频的稳定性等来选择特定机会信号。另选的是，用户可以通过用户接口（未示出）（举例来说，如键盘或屏面）向接收器提供可用地区机会信号的列表。类似的是，用户可以通过用户接口向接收器提供机会信号发送器的位置。附加地或另选地，用户可以向接收器提供操作的城市或局部区域。

应注意到，广播信号具有足够低的频率和更高的信号功率以具有优异的建筑物穿透性。因而，远程接收器不需要具有特别好的天空视野，但却必须具有相对好的选定广播机会信号的接收性。而且，使用这种低频信号允许接收器利用可配置前端滤波器（如充电电容滤波器或数字FIR滤波器）来扫描，以寻找最佳候选机会信号。

一旦远程接收器22确定了城市或局部区域，由此确定了至少100千米之内的近似位置，该远程接收器就可以使用所存储历书以及所存储时间和日期信息来确定哪些卫星可见并且还估计卫星多普勒频偏。这消除或大大减小了在搜索GNSS卫星信号方面关联的±4kHz的不确定度。

远程接收器还可以利用机会信号来减小与振荡器频偏相关联的±12kHz的不确定度。该接收器由此确定其调谐成接收强机会信号的频率与该机会信号的标称或公布频率之差。一种机会信号例如可以是名义上按1030kHz发送的无线电台，并且接收器可以调谐成稍微不同的频率来接收信号。该接收器接着使用所接收频率与标称频率之差，作为所估计的接收器振荡器频率误差或偏差。该接收器还可以针对其它局部强机会信号进行同样的操作，并且基于接收器处的相应频率与标称频率之间的平均差，估计其振荡器频偏。接着，可以使用所估计偏差来基本上消除典型地与未知振荡器频偏相关联的关联±12kHz搜索窗口扩展，尽管时刻时钟相位不确定度仍然存在。

远程接收器由此可以利用所存储历书以及时间和日期信息，和基于地区机会信号估计的振荡器频偏，来显著减小其首次定位时间（TTFF）。

远程接收器22还可以锁相至本地电台或电视机会信号的载波，并且使用电台或电视台时钟来稳定接收器振荡器25。例如，远程接收器可以使用电视信号的过零或定时脉冲，来稳定接收器振荡器25。接着，因为信噪比随着使用窄带而增大，所以该接收器可以使用该窄带跟踪循环来跟踪更弱的GNSS信号。而且，通过保持锁相至地区机会信号，该接收器可以使用廉价的振荡器，但仍实现改进的跟踪。

下面，参照图2，供与远程接收器22一起使用的系统包括GNSS基站接收器32，该GNSS基站接收器32在该系统所覆盖的区域的至少一部分上具有清楚的天空视野，从而可以容易捕获并跟踪GNSS卫星信号。该基站接收器具有根据可见GNSS卫星信号确定的或者另选地在安装期间例如通过手持GPS装置、测量以及/或通过使用拓扑地图而确定的已知位置。基站接收器捕获并跟踪来自可见GNSS卫星的信号，并且可以向远程接收器提供GNSS时间和/或频率信息，以辅助该远程接收器减少TTFF。该GNSS基站接收器在图中被示出为连接至通信网络24。另选的是，基站接收器32可以被设置成直接向接收器22发送信号和/或直接从接收器22接收信号。

另选地或附加地，GNSS基站接收器32利用其同步至GNSS频率的振荡器，可以测量机会信号的精确广播频率，并且直接或者通过通信网络24向远程GPS接收器22发送载频。利用该频率信息，远程接收器可以通过锁相至强机会信号的精确广播频率而更精确地控制其振荡器频率。

而且，使用精确频率消除了关联多普勒频率不确定度。通常，AM/FM台按相对于它们的标称广播分配频率偏差百万分之一或之二的频率广播机会信号。对于捕获GNSS信号来说，百万分之二的广播频率误差将导致±3kHz的多普勒频率不确定度，而使用GNSS基站确定的精确频率则消除了这种不确定度。

另外，GPS基站接收器32可以向远程接收器22提供历书，从而该远程接收器不需要在下电周期保持历书。而且，GNSS基站接收器可以向远程接收器提供针对各个可见GNSS卫星的导航消息和数据符号边界。该数据符号边界是GNSS卫星发送导航消息中的数据符号的时间。利用该数据符号和符号边界信息，远程接收器可以将所接收卫星信号的数据“擦除”，即，该接收器可以补偿相关操作期间的对应相位变化。这种擦除允许远程接收器在更长时段期间累积相关测量，即，超出数据符号边界时间累积。该接收器由此可以捕获更弱的GNSS信号，如被多径弱化或者被建筑物或叶子阻挡的信号。

而且，可以早于接收器可从GNSS卫星信号捕获消息的时间而使导航消息可用于远程接收器，这允许远程接收器更准确地确定在TTFF期间计算位置解所需的GNSS卫星的位置。利用导航消息，远程接收器通常可以计算出比该接收器利用来自历书的信息计算出的卫星位置更准确的卫星位置。

远程接收器22还可以或者替代地利用基站接收器32以可见卫星、星历表信息、多普勒频偏等的形式提供的辅助信息，基于所接收的GNSS信号和/或一个或更多个机会信号来快速确定150米内的位置。利用该辅助信息，远程接收器不需要再花费时间来使用历书。远程接收器还可以基于RTC时间和日期信息并且利用机会信号的特性来确定至少几微秒内的时刻。因此，远程接收器除了如上所述确定其振荡器时钟频偏以外，还可以确定其时钟21的相位偏差，并且基于已知GNSS卫星码片发送时间来提前其PRN码搜索。该码搜索提前例如将码搜索从1000个码片减少到10个码片，由此减少了执行该搜索所用的时间。该码搜索提前对于较长PRN码特别有用。

在此描述的GNSS接收器和系统具有通过利用RTC时间和日期，并且利用作为合适历书信息的广播机会信号的特性以及SOP发送器的已知位置来减少TTFF的优点。SOP发送器的已知位置可以是轨道而非固定位置。例如，SOP发送器可以从移动平台（如汽车、飞机、轮船或卫星）发送，假使该发送器的位置和速度矢量可以由系统确定的话。对于卫星发送器，例如，轨道星历表参数必须可以容易地获得。远程接收器可以是移动或固定位置接收器。

接收器的一个或更多个处理器可以被设置为单一处理器，确定位置解和振荡器频偏的操作可以采用硬件、软件或固件来执行，并且远程接收器和基站接收器包括用来执行捕获和跟踪操作的已知硬件、软件或固件，包括用于进行相关测量、生成局部码等的硬件、软件或固件。这些处理器可以被编程成，利用作为计算机可读介质上的计算机可执行指令而提供的程序来执行所述操作和/或操作硬件等。RTC可以用在下电周期保持时间和日期的其它已知装置来代替。所述RTC或装置可以另选地或附加地由另选的能量源（举例来说，如大电容器）来加电。

Claims (23)

1.一种GNSS接收器，该GNSS接收器包括：

射频前端，该射频前端用于接收GNSS卫星信号和包含随机内容的机会信号，所述射频前端包括一个或更多个可配置前端滤波器，所述一个或更多个可配置前端滤波器扫描广播信号以调谐至机会信号；

振荡器，该振荡器用于捕获并跟踪所述GNSS卫星信号；以及

一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为：

处理选择的机会信号，并且基于由所述射频前端确定的所述选择的机会信号中的一个或更多个机会信号的频率与所述选择的机会信号中的一个或更多个机会信号的标称广播频率之差来估计针对所述振荡器的频偏，和

利用所估计的针对所述振荡器的频偏来减小用于捕获所述GNSS卫星信号的搜索窗口。

2.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述一个或更多个处理器还基于多个机会信号的广播频率和机会信号发送器位置信息来确定所述接收器的估计位置。

3.根据权利要求1所述的GNSS接收器，该GNSS接收器还包括：

用于保持当前时间和日期的实时时钟，

用于存储历书的存储器，并且

所述一个或更多个处理器确定可见卫星，并且基于所述接收器的估计位置、存储的所述历书以及所述当前时间和日期，来估计与来自所述可见卫星的信号相关联的多普勒频偏，并且利用所估计的多普勒频偏来进一步减小所述搜索窗口。

4.根据权利要求3所述的GNSS接收器，其中，所述一个或更多个处理器基于多个机会信号的广播频率和机会信号发送器位置信息来确定所述接收器的所述估计位置。

5.根据权利要求4所述的GNSS接收器，该GNSS接收器还包括针对通信网络的连接部，所述网络通过所述连接部向所述接收器提供所述机会信号发送器位置信息。

6.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中，所述接收器从可用机会信号列表中选择所述机会信号。

7.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中，所述网络连接部提供因特网接入。

8.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述一个或更多个处理器将用于进行信号捕获和跟踪的振荡器锁相至所述机会信号中的一个机会信号，以提供对所述GNSS信号的窄带跟踪。

9.根据权利要求1所述的GNSS接收器，该GNSS接收器还包括：

用于保持当前时间和日期的实时时钟；并且

所述一个或更多个处理器还被配置为基于保持的所述当前时间和所述机会信号的定时特性来确定与GNSS时间的偏差在几微秒内的时间，并且基于已知GNSS卫星码片发送时间来提前码搜索。

10.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述一个或更多个处理器基于接收器处信号的场强和载频的稳定性中的一个或更多个来选择所述机会信号。

11.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述一个或更多个可配置前端滤波器是充电电容滤波器或数字FIR滤波器中的一个或更多个。

12.一种GNSS接收器，该GNSS接收器包括：

射频前端，该射频前端用于接收GNSS卫星信号和包含随机内容的机会信号，所述射频前端包括一个或更多个可配置前端滤波器，所述一个或更多个可配置前端滤波器扫描广播信号以调谐至机会信号，

振荡器，该振荡器用于在捕获和跟踪所述GNSS卫星信号中使用；以及

一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为：

选择一个或更多个机会信号，处理所选择的机会信号，并且将所述振荡器锁相至所选择的机会信号中的一个机会信号，和

利用窄带来跟踪所述GNSS卫星信号。

13.一种用于减少首次定位时间的系统，该系统包括：

GNSS基站接收器，该GNSS基站接收器用于捕获和跟踪GNSS卫星信号并且提供辅助信息；

远程GNSS接收器，该远程GNSS接收器具有：

射频前端，该射频前端用于接收GNSS卫星信号和包含随机内容的机会信号，所述射频前端包括一个或更多个可配置前端滤波器，所述一个或更多个可配置前端滤波器扫描广播信号以调谐至机会信号；

网络连接部，该网络连接部用于接收来自所述GNSS基站接收器的辅助信息；

振荡器，该振荡器用于在捕获并跟踪所述GNSS卫星信号中使用；以及

一个或更多个处理器，所述一个或更多个处理器被配置为：

选择一个或更多个机会信号，处理所选择的机会信号，基于由所述射频前端确定的所选择的机会信号中的一个或更多个机会信号的频率与所述一个或更多个机会信号的广播频率之差来估计针对所述振荡器的频偏，和

利用所估计的针对所述振荡器的频偏来减小用于捕获所述GNSS卫星信号的搜索窗口。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述辅助信息是所述机会信号的广播频率。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，当所述GNSS基站接收器被锁相至GNSS频率时，由所述GNSS基站接收器确定广播频率。

16.根据权利要求14的系统，其中，所述广播频率是所述机会信号的标称广播频率。

17.根据权利要求13所述的系统，其中，

所述辅助信息是机会信号发送器的位置，并且

所述一个或更多个处理器基于多个机会信号的广播频率和机会信号发送器位置信息来确定所述接收器的所述估计位置。

18.根据权利要求13所述的系统，其中，

所述辅助信息是导航消息和消息比特定时，并且

所述一个或更多个处理器从所接收的GNSS卫星信号中擦除所述导航消息，并且使用占用了多个消息比特的相关间隔，来捕获所述GNSS卫星信号。

19.根据权利要求13所述的系统，其中，

所述辅助信息包括可见GNSS卫星列表、关联多普勒频偏、星历表信息中的一个或更多个，并且

所述远程接收器使用所述辅助信息，来缩减针对可见卫星的搜索，并且基于所述多普勒频偏进一步减小所述搜索窗口。

20.根据权利要求13的系统，其中，所述远程接收器还包括：

用于保持当前时间和日期的实时时钟；并且

所述一个或更多个处理器还被配置为基于保持的所述当前时间和所述机会信号的定时特性来确定与GNSS时间的偏差在几微秒内的时间，并且基于已知GNSS卫星码片发送时间来提前码搜索。

21.根据权利要求13所述的系统，其中，

所述辅助信息包括当前时间和日期、估计城市或区域位置信息以及历书，并且

所述一个或更多个处理器利用所述辅助信息来确定可见卫星和关联估计多普勒频偏，并且利用所估计的偏差来进一步减小所述搜索窗口。

22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述一个或更多个处理器：

将在捕获和跟踪所述GNSS信号中使用的振荡器锁相至所述机会信号中的一个机会信号，并且

缩窄为跟踪所述GNSS卫星信号所使用的频带。

23.根据权利要求13所述的系统，其中，所述网络连接部是无线的、有线的、或无线的和有线的二者。

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