CN1292094A - 独特的全球定位系统(gps)和高灵敏度方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种使用全球定位系统(GPS)卫星确定用户终端位置的方法,每颗GPS卫星发送包含信息的信号,所述信息表明各个GPS卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数。所述方法包括以下步骤:近似计算至少一颗GPS卫星位于其中的多普勒频率的预期的范围;在该范围内,在用户终端搜索并且捕获来自第一GPS卫星的、强到足以解调的第一GPS信号,所述第一GPS信号包含信息,所述信息表明第一GPS卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数;解调所述第一GPS信号以获得日期信息;使用所述日期信息测量关于第一GPS信号的代码相位同步;在用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获第二、第三和第四GPS信号;使用所述日期信息测量关于第二、第三和第四GPS信号的代码相位同步;以及使用第一到第四GPS信号的代码相位同步计算用户终端的位置。

Description

独特的全球定位系统(GPS)和高灵敏度方法
发明领域
本发明涉及全球定位系统(GPS)，该系统使用具有已知位置的地球轨道卫星的星座并且产生不同的信号给用户终端，用来计算用户的位置和速度，并且更准确地说，涉及这样的GPS：在终端GPS接收机中，没有计算用户位置和速率所需的、可以直接解调的至少四个具有足够信号强度的GPS卫星信号。
发明背景
全球定位系统(GPS)一般包括地球轨道卫星的星座，地球轨道卫星发送伪随机测距信号，用户终端可根据该伪随机测距信号计算出它们在地球表面上或其附近的任何地方的三维位置、速度以及时间信息。一般说来，为了精确地确定用户位置，必须可看见至少四颗卫星。
卫星的星座处于利用大量资料构成的轨道上，在任何时间都可以精确地知道每颗卫星的位置。用户终端的GPS接收机接收从各个GPS卫星同时发送的多个信号，并通过计算这样的信号的相对到达时间来确定它的位置，即，用户终端位置。卫星发送的数据包括：作为它们的导航消息的一部分的关于卫星的轨道位置的数据，所谓“星历表数据”；以及时钟校正数据。搜索合适的卫星并接收该卫星的信号、解调至少四颗卫星的星历表数据并根据该数据计算用户终端的GPS接收机的位置，这一处理是冗长的处理，通常需要几分钟或更长的时间。几分钟或更长的处理时间一般在便携式设备中是不可接受的，因为它们大大地缩短电池寿命。
实际上所有已知的GPS接收机使用相关方法来计算每颗卫星的伪距。所述伪距仅仅是在从每颗卫星接收的信号与GPS接收机的本地时钟之间测量出的时间延迟。一般实时地执行这些相关方法，并且通常借助硬件相关器。由于GPS一般为CDMA(码分多址)系统，所以通过相同的频率、但使用不同的代码序列来广播所有的卫星信号。这些代码序列一般是高速重复信号，具有1．023MHz的二进制反相速率(也称为“修整(chipping)”或“倒转(flipping)”速率)以及对每1毫秒的代码周期的1，023码片的重复周期。每颗GPS卫星使用唯一的代码序列来广播信号。
为接收来自给定的GPS卫星的GPS信号，接收机硬件将接收信号乘以包含在接收机本地存储器中的合适的代码序列的存储的复制品，并且在1到20毫秒内将该处理的输出加起来。应该指出，在包含在GPS接收机中的代码序列与由卫星广播的代码序列之间必须有精确的同步；即使你只差一位或一码片而没有与来自GPS卫星的代码序列“同步起来(syncing-up)”，你将看不到该信号。
发生GPS信号捕获的方法是：连续调整与卫星广播的接收信号有关的、存储在GPS接收机中的复制品代码序列的有关定时(被定义为代码相位)，并且观察相关输出信号。如先前提到的，对任何可测量的响应，代码相位的对准必须在小于该序列的一码片之内。这可能意味着要通过试验最多全部1，023个可能的代码相位位置来搜索应答。此外，由于积分时间是从1到20毫秒，所以，为了最大值的相关响应，相关处理所采用的RF(或IF)频率必须分别在700到30Hz范围内与接收的GPS信号频率相匹配。由于在GPS信号上可能发生最大为5，000Hz的多普勒频移，捕获处理必须包括试验复制品信号的各种RF(或IF)频率直到检测出相关响应。一旦发生相关，GPS接收机可确定接收信号与本地时钟之间的时延。对该输出信号的出现的初始确定被称作“捕获”。
一旦发生捕获，处理进入跟踪阶段，其中为保持高的相关输出对本地参考时钟进行小量的调整。跟踪阶段的相关输出可被看作消除了伪随机代码的GPS信号，或按通常的术语，“去扩展(despread)”。进一步解调该去扩展信号，可以得到叠加在从卫星上下来的GPS代码序列上的50位／秒的导航消息。该导航消息提供为获得用户终端位置的数学解答所需的其余信息。
一般说来，GPS接收机有灵敏度不高的缺点，所以它们必须始终在室外工作，并且对所有卫星具有清晰的视线。换句话说，GPS接收机必须无遮挡、清晰地看到至少四颗GPS卫星。这样，在便携式应用中、或在有显著的树叶或诸如建筑障碍物的地方、或在室内应用中，GPS接收机通常会遇到问题，并且可能实际上无法使用。
这些问题的现有解决方法采用辅助系统而直接通过独立的通信信道、即辅助信道来提供所有可从GPS接收机通过解调GPS卫星信号而得到的信息。尽管这些现有解决方法能够起到作用，但每当用户终端需要位置坐标时，它们要求用户终端与辅助系统内的服务器通信来获得必要的信息。由于这种服务总是要征收费用的，所以希望建立一种方法，利用它可避免这些费用，而且在遮挡的环境中、使用一个或更多比正常时最多弱20dB的GPS卫星信号，GPS仍然工作。
本发明目的在于克服上面提到的一个或多个问题。
本发明概述
提供利用全球定位系统(GPS)卫星确定用户终端位置的方法，每个GPS卫星发送信号，所述信号包含表明各个卫星的轨道参数、时序和同步数据以及时钟校正参数的信息。将用户终端看得到的每个卫星的信息从辅助通信系统经过通信链路发送给用户终端，该辅助通信系统具有中央服务器，后者带有将所述信号解调的GPS接收机。还向用户终端发送相对于远离用户终端的位置的用户终端的近似位置。所述(最基本的)方法包括以下步骤：搜索并捕获至少四(4)个GPS信号的代码相位同步；解调至少一个GPS信号，所述GPS信号处于足够高的信号电平以允许解调；以及从解调的GPS信号中得到日期数据和定时同步。然后将这样得到的信息(日期数据和定时同步)用于最终位置解答，其方法是：在代码相位测量的时候，利用插入轨道参数中的日期信息来确定卫星的位置。然后用所述代码相位测量、时钟校正数据、卫星位置以及近似的用户位置求解用户的精确位置。
在一个方面，利用卫星位置和近似的用户位置来计算每颗卫星的多普勒频率的预期的范围，以便缩小对GPS信号的搜索区间，由此简化搜索及捕获代码相位同步的步骤。
在另一个方面，远离用户终端的位置包括被包含在辅助通信系统中的蜂窝式基站，其中辅助通信系统中的蜂窝式基站的准确度能够校准GPS接收机的频率，从而进一步减少为捕获GPS卫星信号的代码相位同步而必须搜索的多普勒频率的范围。
在另一个方面，对第一GPS卫星的代码相位同步的捕获使得用户终端能够校准用户终端的代码相位同步定时。然后用户终端计算出可能的代码相位的小的预期范围，以便搜索其余的第二、第三、第四等GPS卫星信号。这可以这样来完成：计算从每颗卫星到近似的用户位置的距离，转换为飞行时间，用广播时钟校正数据对其进行校正，并找到对这些数值进行关于1毫秒求模运算的余数。由于在GPS系统和用户终端之间缺乏同步，所以所有这些数值都具有系统误差，其中通过第一GPS卫星代码相位同步的测量来消除这种系统误差。
在另一方面，通过限制在总的积分时间中近似为1到10毫秒的相对短的积分时间(相干及非相干两者)内完成对第一GPS信号的搜索，可加速寻找具有最强信号电平的第一GPS信号的处理。
在另一方面，首先寻找最强的GPS卫星信号并解调第一强GPS信号来获得精确的时间信息，允许改进卫星的定位并由此进一步减少对其余GPS卫星信号(第二、第三、第四等)的预期的代码相位搜索范围。
在另一方面，相对于远离用户终端的位置近似计算用户终端的地面位置的步骤包括以下步骤：与远离用户终端的辅助通信系统通信，以便近似地确定所述用户终端的相对于蜂窝式基站的地面位置，所述蜂窝式基站被包括在所述通信系统中，并且具有已知的位置。
在另一方面，轨道数据和时钟校正数据不是经过通信链路从中央服务器获得的，而是从先前的通信中被保留在用户终端内的，并且对它们进行测试，以便确定它们(轨道数据和时钟校正数据)是否足够新(current)而足以用于所述定位处理。如果它们不是足够新的(通常从发出时间起经过的时间小于4小时就认为是足够新的)，则由用户终端经过通信链路产生请求，以获得更加新的数据。
在可供选择的实施例中，提供利用全球定位系统(GPS)卫星确定用户终端位置的方法，每个GPS卫星发送信号，所述信号包含表明各个卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数的信息。将用户终端看得到的每个卫星的信息从辅助通信系统经过通信链路发送给用户终端，该辅助通信系统具有中央服务器，后者带有将所述信号解调的GPS接收机。还向用户终端发送相对于远离用户终端的位置的用户终端的近似位置。在用户终端中有实时时钟，用来给出近似的日期信息，所述近似日期信息是在一定的准确度内从轨道参数中计算出GPS卫星的位置所需要的。所述方法包括以下步骤：使用实时时钟计算GPS卫星的位置，并根据这些位置来计算每颗卫星的多普勒频率范围和预期的代码相位的范围；搜索并捕获至少四(4)个GPS信号的代码相位同步。然后将这样得到的信息(代码相位测量)用于最终位置解答，其方法是利用插入轨道参数中的日期信息(来自实时时钟)来确定在代码相位测量时的卫星的位置。然后利用所述代码相位测量结果、时钟校正数据、卫星位置以及近似的用户位置来求解用户的精确位置。
在所述可供选择的实施例的一个方面，通过搜索具有足以将其解调的信号电平的GPS信号、并且从解调后的GPS信号中获得日期数据和定时同步，来周期性地更新用户终端的实时时钟。
在所述可供选择的实施例的另一个方面，在所述定位方法中如果有任何GPS信号处于足以将其解调的信号电平，则解调该GPS信号以获得日期数据和定时同步，然后用它们来更新实时时钟。
在所述可供选择的实施例的再一个方面，轨道数据和时钟校正数据不是经过通信链路从中央服务器获得的，而是来自先前的通信保留在用户终端内的，并且对它们进行测试，以便确定它们(轨道数据和时钟校正数据)是否足够新而足以用于所述定位处理。如果它们不是足够新的(通常从发出时间起经过的时间小于4小时就认为是足够新的)，则由用户终端经过通信链路产生请求，以获得更加新的数据。
本发明的目的是用户终端在寻找用户位置时尽可能自主地工作。
本发明的进一步的目的是在每次用户终端需要位置坐标时，避免来自辅助服务器的服务计费。
本发明的进一步的目的是在遮挡的环境下、在一个或更多GPS信号较正常时最多弱20dB的情况下提供位置确定。
本发明的进一步的目的是提供位置确定而不需要解调至少四个GPS卫星信号。
本发明的其它方面、目的以及优点可从对应用、附图以及所附的权利要求书的研究中获得。
附图简述
图1说明用于本发明的GPS环境的方框图；
图2说明描述使用GPS卫星信号确定用户终端位置的方法的流程图；以及
图3说明描述另一个使用GPS卫星信号确定用户终端位置的方法的流程图。
最佳实施例详述
图1说明用于本发明的GPS环境的方框图。用户终端10和辅助通信系统12两者都从地球轨道GPS卫星16的星团或星座接收导航消息14。该导航消息或GPS信号14包括卫星轨道位置数据，即，“星历表数据”，以及时钟校正数据，并且由GPS卫星16在它们沿轨道环绕地球飞行时不断地发送。
用户终端10可以是任何类型的移动通信设备，例如，但不限于，蜂窝式电话机、陆地移动无线电设备或其它任何类型在船舶、浮标、陆地巡回车辆等上使用的无线通信设备。辅助通信系统12可以是至少包括GPS辅助或中央服务器18和基站20的任何类型的通信系统，例如，但不限于，蜂窝式电话通信系统。
GPS辅助服务器18周期性地从GPS卫星16接收包括星历表和时钟校正数据的导航消息14，并经过通信链路22通知基站20。假设用户终端10处在距基站20可行的通信距离的范围内，用户终端10与基站20之间的通信可经过通信链路24而发生。典型的可行通信距离为5英里，然而，这决不意味着本发明仅限于此。
GPS辅助服务器18不直接从GPS卫星信号14、而是从其它信息源接收星历表和时钟校正数据，这也是有可能的。例如，可以从互联网或其它私人提供者那里获得所述信息(星历表和时钟校正数据)。
GPS辅助服务器18还可能提供差别修正数据来消除GPS系统的人为误差。然而，该修正数据只对于短的时间周期有效(大约30秒)。因此，尽管它可以根据要求来提供，但这种短使用期的修正数据的使用使得用户终端10与服务器18和通信系统12保持相对独立的目的受到不良影响。
图2描述的是说明对应于一个实施例的方法的流程图，所述实施例用来在图1描绘的环境中，立即响应地确定用户终端10的位置。本发明使用以下的一般概念：来自GPS卫星的星历表数据一般在最多四小时的时间内是精确的。在块26，一旦在用户终端10通过按键、执行指令等开始立即响应式定位请求，则图2的方法进行如下。
当在块26开始定位处理时，在块30，用户终端10确定是否看得到的卫星的轨道星历表数据和时钟校正数据经历的时间(它们是从先前的通信中存储在用户终端10中的)是否小于四(4)小时。如果不是，则在块32，用户终端10命令通信系统12从当前所能看到的卫星获得当前的星历表数据和时钟校正数据，并且在块34将该数据经过通信链路24发送给用户终端10。
无论是使用旧的存储的但仍是当前的数据，还是使用重新获得的数据，用户终端10随后在块36从通信系统12获得它的近似位置，更详细地说，经过通信链路24从基站20(基站20具有已知的位置)获得其近似位置。本质上，在块36，用户终端10与通信系统12的特定基站20通话，其中基站20告诉用户终端10它的(用户终端的)距基站20的位置：离开基站20的纬度、经度、以及高度。该位置信息可通过FCC(前向控制信道)起始信号得到，开始令蜂窝式系统运营者为紧急呼叫报告基站的位置。另一个可供选择的方法是制定系统ID号码与位置之间的转换表。再一个可供选择的方法，特别地从IS-95系统的观点来看，是从基站消息中获得纬度和经度。图2的方法假设用户终端10的位置最好在以基站20为中心半径至少约150公里的范围内，然而，不应认为这是限制性的。在较小范围内的定位可减小代码相位搜索区间。
用户终端10随后在块38搜索第一GPS卫星信号。如果该第一搜索处理能够满足捕获到具有可被解调的足够信号强度的GPS信号，则对于其后的对更多GPS卫星信号的搜索和对于该第一GPS卫星信号的最快捕获时间两者都是有益的。(应该指出，即使由于GPS信号太弱而无法解调出导航消息，该GPS信号仍可被捕获并测量代码相位同步。)通过将积分时间限制在1到10毫秒的总时间(相干及非相干)之内，来完成对强GPS信号(即强到足以解调)的搜索。这服务于两个目的：把响应限制只针对最强的信号，以及大大缩短搜索该第一GPS卫星信号所花费的时间。如果不能发现足够强的信号，图2的方法终止并在块39通知用户此时不能进行位置确定。
一旦用户终端10找出具有足够强度的GPS卫星信号，则用传统的方法解调该信号，以便获得该信号从星期日午夜算起的、以秒为单位的日期，并且在块40校准用户终端10的接收机时钟。在块40校准接收机时钟之后，在块42可以测量所述强信号的代码相位同步。代码相位同步实质上是第一GPS卫星16广播的代码序列的时延对1毫秒进行求模运算的余数。
现在使用到目前为止已获得的信息(日期信息和代码相位同步)来加强对更多的GPS卫星信号的搜索。这将涉及基于这种新信息的对用户终端10的两种不同的校准：(1)使用时间来改进卫星的定位以便更好地预测将搜索的代码相位与多普勒频率的预期范围；以及(2)校准代码相位相关器以便利用减小的代码相位与多普勒频率的搜索范围，以及更好地处理信号以实现较弱信号的接收。
在块44，打算减少对将测量其代码相位同步的其它至少三个GPS卫星信号的搜索时间，其方法是在块46估算每颗卫星16的预期的多普勒频率以及在块47估算根据近似的用户终端10的位置和卫星的位置(和卫星速度)的资料计算(仅根据几何学)出的相关的代码相位同步，现在根据时间资料确定后面的这些量。因此，通过较好地近似将找出其它GPS卫星16的预期的代码相位和多普勒频移范围，可在块44减少对这些卫星16的搜索时间。考虑到一定的容限，设想能够在近似30微秒的误差(相当于五英里)内预测这些范围。相比之下，不知道关于代码相位同步的任何事情的总的多义性总计为近似1毫秒的不确定性。
捕获第一GPS信号的重要的结果是用户终端10的代码相位相关器的校准。使用先前确定的改善后的GPS卫星位置和近似的用户终端10的位置，可以预测那两点间的距离。除以光速，可计算出GPS信号在那两点间的飞行时间。如果相关器与GPS卫星信号发生器的时间完全对准，则将上述数值对1毫秒进行求模运算、取余数，将给出预测的代码相位同步测量结果。由于这明显地不会发生，所以当用户终端10开始其与GPS卫星中的原始信号产生处理有关的相关处理时，自然会有一定的多义性。然而，第一GPS卫星代码相位同步的第一测量结果消除了这种多义性。由于对于所有用户终端10对全部GPS卫星代码相位的测量结果，该多义性都是相同的，所以，可以用它的数值来修正其它(至少三个)GPS卫星信号的代码相位预测。应该指出，时钟校正数据对于每颗卫星是唯一的，并且在时间上也是唯一的，所以也可以使用先前得出的时间信息来计算每个GPS卫星信号的更精确的时钟校正，并且这些修正必须用于它们中的每一个与近似的用户终端10的位置之间的飞行时间。举例如下：卫星号码   至卫星距离   飞行时间    时钟校正   预测的代码相位    预测的代码相位
            (公里)        (毫秒)      (毫秒)      (毫秒)            (码片#)
   1        25，000       83．3       0．03       0．27              263．9
   2        24，200       80．7       0．01       0．69              674．5
   3        22，650       75．5      -0．08       0．58              567．0
   4        27，050       90．2       0．05       0．15              146．6
将预测的代码相位时间除以1023，即每毫秒的码片数，从而获得预测的代码相位码片数。如果第一GPS卫星代码相位测量结果为304．1码片，则该值与理想的预测值(263．9)的差为40．2码片。这一数值(40．2)必须加到其余所有的预测的代码相位，从而得出代码相位搜索范围的代码相位中心值。这导致其余GPS卫星的以下预测的代码相位：
卫星号码       预测的代码相位(码片#)
   2              714．7
   3              607．2
   4              186．8
因此通过在块46估算每颗卫星16的预期的多普勒频率以及在块47近似计算至少三个其它信号的代码相位同步，在块44，用户终端10现在可以在较原来小30倍的范围(可被快得多地搜索完)内搜索至少三颗将被测量的卫星的代码相位同步。
现在可以发现在捕获处理中的重要改进。由于已经找到能够被解调的足够强的第一GPS卫星信号，所以可以改进对后续的GPS卫星信号的搜索甚至进一步加强对弱信号的捕获。可以理解，捕获较弱的GPS卫星信号需要较长的相干积分时间。然而，如果进行20毫秒的相干积分，则很可能那时间将包含导航数据位变换，即1到0或0到1，并且因此而降低相关响应。卫星的GPS系统是非常协调的，并且这些位变换发生在关于各卫星的协调时间上。使用先前得到的信息，以及精确地得到的每个GPS卫星信号的飞行时间，可以根据观察到的第一个捕获并解调的GPS卫星信号的位边缘变换精确地预测尚未被捕获的GPS卫星信号的位边缘变换。因此，在搜索可能较弱的后续GPS信号时，可使用20毫秒的最长相干积分时间，而没有位边缘变换所产生的响应上的损失。
对所有其它的GPS卫星16测量代码相位同步，而不管它们的信号电平是否低于数据解调所需的电平(即使信号太弱而不能解调，仍可测量代码相位同步)。可通过长相干积分时间测量代码相位同步，超过20毫秒，因为通过这些相干积分结果的多重非相干求和以及通过提示的三点插值和每颗卫星的相邻1／2码片积分，知道具有足够的时间精确度的数据位边缘时间。如果测量代码相位同步需要长时积分，减小搜索范围将变得特别有用，因为想尽可能多地减小搜索卫星所需的代码相位同步范围。
一旦为卫星16中的至少四颗测量了代码相位同步，在块48就可以按常规地确定／计算出用户终端10的位置。这样的计算通常包括以下步骤：用星历表数据和修正的接收机时间确定卫星的位置；通过将代码相位、从卫星和用户位置导出的所需毫秒的整数以及卫星的时钟校正数据加在一起来计算伪距。然后为各卫星求出有效的和倒置的方向单元向量矩阵H。然后从测量的和预测的用户终端10的位置求出δ伪距。然后通过将倒置的H矩阵与到达用户终端10的位置的δ伪距相乘而获得用户位置的修正值。
这样，在用户终端10不能找出四个具有足以解调的强度的GPS卫星信号的情况下，按照图2的方法有特别的用途。如果可以找到至少一个强到足以解调的卫星信号，仍可完成位置确定。此外，按照图2的方法还减少了对卫星的搜索时间。例如，在块38搜索强到足以解调的卫星信号之前，用户终端10已经有关于卫星16的近似位置(块30和34)和用户终端10相对于基站的近似位置的资料，所述基站具有已知的位置(块36)。该资料帮助减少对强到足以解调的卫星信号的初始搜索时间。
此外，在块42测量所述强信号的代码相位同步之后，通过近似计算其它GPS卫星信号的代码相位同步(块47)以及估算每颗卫星的预期的多普勒频率(块46)，可将对其它GPS卫星信号的搜索时间减小大约30倍的数量级。如先前指出的，如果测量代码相位同步需要长时积分，对搜索时间的这种减小就特别有用。
图3说明图2所示的用户定位方法的另一个实施例，用相同的标号表明相似的步骤，并且用撇号(‘)表明那些被稍微修改的步骤。一般说来，图3的实施例在用户终端10提供实时时钟，如果在块38’没有获得强到足以解调的卫星信号，则将使用该实时时钟。
图3的方法通过先前根据图2所描述的块26、30、32、34和36进行。在块36从基站20收到用户终端10的近似位置后，用户终端10在块38’以先前根据图2描述的方法搜索强到足以解调的GPS卫星信号。然而，如果未发现强到足以解调的卫星信号，则图3的方法进行到块50并使用在用户终端10的实时时钟以便以秒数近似计算第一GPS卫星信号的从星期天午夜到当前的时间，并且校准接收机时钟(块40)。在块42通过使用实时时钟近似计算日期信息来测量该卫星信号的代码相位同步，并且图3的方法如先前根据图2所描述的一样通过块44、46、47和48进行，以便确定用户终端10的位置，虽然用实时时钟作为日期信息。
如果在块38’找到强到足以解调的卫星信号，则该方法进行到块52，在那里确定是否需要更新用户终端10的实时时钟。如果不需要，则该方法如先前根据图2所描述的一样通过块40、42、44、46、47和48进行，以便确定用户终端10的位置。
如果要更新实时时钟，那么，在块54更新实时时钟并且该方法在块56确定是否只更新实时时钟。如果是，则该方法停止；如果不是，则该方法如先前根据图2所描述的一样通过块40、42、44、46、47和48进行，以便确定用户终端10的位置。
该方法提供了进一步的优点：在块50，系统还转到块58以确定实时时钟最后被更新的时间，并且如果该最后更新时间大于预定的时间，则系统进行到块38’以搜索强到足以解调的信号来更新实时时钟。应该指出，即使实时时钟需要更新，仍可以使用它来近似计算日期信息。此外，应该指出，即使在块38’找出强到足以解调的信号，仍可以如虚箭头60所表明的使用用户终端10的实时时钟。
在用户终端10中对实时时钟的更新处理可以自主完成。可将用户终端10的GPS接收机编程为周期性地打开(每小时或几小时一次，或在每天一定的时间，等等)来搜索任何“响亮的”(可被解调的)GPS卫星信号。如果找到一个，则可在大约6秒或更少的时间内解调该信号从而获得日期信息，随后使用所述日期信息更新用户终端10的实时时钟。周期性地更新实时时钟有助于确保在起动位置确定请求而又没有可获得日期信息的“响亮的”GPS卫星信号时，可以使用实时时钟来近似计算日期信息并且具有可接受的精确度。
在每颗卫星的信号衰减不同的环境下需要做位置测量时，上述的系统和方法特别有用。如果用户终端10处于城市峡谷就会发生这种情况，对头顶上的卫星的衰耗要比对其它远处的靠近地平线的卫星的衰耗小。例如，如果其它的卫星由于太低而靠近地平线，来自它们的信号将穿过一些树木，或如果信号足够弱而使你无法以通常的方法将它解调，而信号又足够强使得你能捕获它并测量它的代码相位，那么上述的系统和方法将变得特别有用。日期信息可以从一个足够强的卫星信号中获得，或者如果不能找到强到足以解调的GPS卫星信号，则从GPS接收机的实时时钟中获得，并且被用来计算其它卫星的其余的轨道位置使得你不必解调这些信号，你只可以找到它们的代码相位同步。上述系统和方法利用这一事实：即使卫星信号足够弱而无法解调，仍可从该信号中获得代码相位同步。从信号再也不能被解调到失去代码相位同步之间有大约10dB的差别。
所有上述系统和方法都假设：助长根据要求快速地获得位置坐标，和／或情况经常是没有可用的四(4)个足够强的GPS卫星信号来获得导航信息。然而，如果不可能或不需要从GPS服务器18获得轨道参数和时钟校正时，包含与GPS接收机的正常用途，相同的操作方式是无价值的。
尽管特别参照附图描述了本发明，可以理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种各样的修改。

Claims (37)

1．一种使用全球定位系统(GPS)卫星确定用户终端位置的方法，每颗GPS卫星发送包含信息的信号，所述信息表明各个GPS卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数，所述方法包括以下步骤：
近似计算至少一颗GPS卫星位于其中的多普勒频率的预期的范围；
在该范围内，在用户终端搜索并且捕获来自第一GPS卫星的、强到足以解调的第一GPS信号，所述第一GPS信号包含信息，所述信息表明第一GPS卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数；
解调所述第一GPS信号以便获得日期信息；
使用所述日期信息测量关于所述第一GPS信号的代码相位同步；
在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获第二、第三和第四GPS信号；
使用所述日期信息测量关于所述第二、第三和第四GPS信号的代码相位同步；以及
使用所述第一到第四GPS信号的代码相位同步计算所述用户终端的位置。
2．权利要求1的方法，其特征在于所述近似计算至少一颗GPS卫星位于其中的多普勒频率的预期范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置；
相对于远离所述用户终端的位置，近似计算所述用户终端的地面位置；以及
使用所述轨道和地面位置的近似值计算预期的多普勒频率范围。
3．权利要求2的方法，其特征在于所述近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
在所述用户终端从远离该用户终端的通信系统接收所述至少一颗GPS卫星的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置。
4．权利要求2的方法，其特征在于所述近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
测试所述至少一颗GPS卫星的从先前的通信中保留在所述用户终端的轨道参数和时钟校正数据，以便了解所述保留的轨道参数和时钟校正数据是否足够新(current)；
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据足够新，则使用所述保留的轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置；以及
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据不是足够新的，
则在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统请求并接收所述至少一颗GPS卫星的当前的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述当前的轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置。
5．权利要求4的方法，其特征在于：所述保留的轨道参数和时钟校正数据如果从发出时间起经过的时间少于四小时，则认为它们是足够新的。
6．权利要求2的方法，其特征在于所述相对于远离所述用户终端的位置、近似计算所述用户终端的地面位置的步骤包括以下步骤：
与远离所述用户终端的通信系统通信，以便确定相对于被包含在所述通信系统中的基站的所述用户终端的近似的地面位置，所述基站具有已知的位置。
7．权利要求6的方法，其特征在于：所述基站包括蜂窝式基站。
8．权利要求1的方法，其特征在于所述在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并接收第二、第三和第四GPS信号的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的预期的多普勒频率范围；以及
在所述用户终端，分别在该范围内从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
9．权利要求8的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的预期的多普勒频率范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置；
近似计算相对于远离所述用户终端的位置的所述用户终端的地面位置；以及
使用所述轨道和地面位置的近似值计算预期的多普勒频率的范围。
10．权利要求9的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统接收所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的所述近似的轨道位置。
11．权利要求9的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
测试所述第二、第三和第四GPS卫星的从先前的通信中保留在所述用户终端的轨道参数和时钟校正数据，以便了解所述保留的轨道参数和时钟校正数据是否足够新；
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据足够新，则使用所述保留的轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的所述近似的轨道位置；以及
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据不是足够新的，
则在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统请求并接收所述第二、第三和第四GPS卫星的当前的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述当前的轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的近似的轨道位置。
12．权利要求11的方法，其特征在于：所述保留的轨道参数和时钟校正数据如果从发出时间起经过的时间少于四小时，则认为它们是足够新的。
13．权利要求9的方法，其特征在于所述相对于远离所述用户终端的位置、近似计算所述用户终端的地面位置的步骤包括以下步骤：
与远离所述用户终端的通信系统通信，以便确定相对于被包含在所述通信系统中的基站的所述用户终端的近似的地面位置，所述基站具有已知的位置。
14．权利要求13的方法，其特征在于：所述基站包括蜂窝式基站。
15．权利要求8的方法，其特征在于在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获第二、第三和第四GPS信号的步骤还包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的代码相位区间的预期的范围；以及
在所述用户终端，分别在该范围内从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
16．权利要求15的方法，其特征在于所述搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号的步骤包括以下步骤：
进行长时相干积分以便分别从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
17．权利要求15的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的代码相位区间的预期范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置；
使用所述日期信息改善轨道位置的近似值；
近似计算相对于远离所述用户终端的位置的所述用户终端的地面位置；以及
使用所述地面和改善的轨道近似值计算代码相位区间的预期的范围。
18．一种使用全球定位系统(GPS)卫星确定用户终端位置的方法，每颗GPS卫星发送包含信息的信号，所述信息表明各个GPS卫星的轨道参数、定时和同步数据以及时钟校正参数，所述方法包括以下步骤：
近似计算至少一颗GPS卫星位于其中的多普勒频率的预期的范围；
在该范围内，搜索强到足以解调的第一GPS信号；
如果找出强到足以解调的第一GPS卫星信号，则捕获并解调所述第一GPS卫星信号，以便获得日期信息；
如果未找出强到足以解调的第一GPS卫星信号，则在所述用户终端捕获所述第一GPS卫星信号并且使用用户终端的实时时钟来近似计算日期信息；
使用所述日期信息测量关于所述第一GPS信号的代码相位同步；
在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获第二、第三和第四GPS信号；
使用所述日期信息测量关于所述第二、第三和第四GPS信号的代码相位同步；以及
使用所述第一到第四GPS信号的代码相位同步计算所述用户终端的位置。
19．权利要求18的方法，其特征在于通过以下方法周期性地更新所述用户终端的实时时钟：
在所述用户终端搜索并捕获具有足以解调的信号电平的GPS卫星信号；以及
解调所述捕获的GPS卫星信号以便获得日期信息，使用所述获得的日期信息更新所述用户终端的所述实时时钟。
20．权利要求18的方法，其特征在于还包括以下步骤：
如果所述第一GPS卫星信号强到足以解调，则利用从解调所述第一GPS卫星信号中获得的所述日期信息更新所述用户终端的所述实时时钟。
21．权利要求18的方法，其特征在于：使用所述用户终端的所述实时时钟来近似计算所述日期信息，而不管所述第一GPS卫星信号是否强到足以解调。
22．权利要求18的方法，其特征在于所述近似计算至少一颗GPS卫星位于其中的多普勒频率的预期的范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置；
相对于远离所述用户终端的位置，近似计算所述用户终端的地面位置；以及
使用所述轨道和地面位置的近以值计算预期的多普勒频率范围。
23．权利要求22的方法，其特征在于所述近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
在所述用户终端从远离该用户终端的通信系统接收所述至少一颗GPS卫星的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置。
24．权利要求22的方法，其特征在于所述近似计算所述至少一颗GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
测试所述至少一颗GPS卫星的从先前的通信中保留在所述用户终端的轨道参数和时钟校正数据，以便了解所述保留的轨道参数和时钟校正数据是否足够新(current)；
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据足够新，则使用所述保留的轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置；以及
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据不是足够新的，
则在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统请求并接收所述至少一颗GPS卫星的当前的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述当前的轨道参数和时钟校正数据计算所述至少一颗GPS卫星的近似的轨道位置。
25．权利要求24的方法，其特征在于：所述保留的轨道参数和时钟校正数据如果从发出时间起经过的时间少于四小时，则认为它们是足够新的。
26．权利要求22的方法，其特征在于所述相对于远离所述用户终端的位置、近似计算所述用户终端的地面位置的步骤包括以下步骤：
与远离所述用户终端的通信系统通信，以便确定相对于被包含在所述通信系统中的基站的所述用户终端的近似的地面位置，所述基站具有已知的位置。
27．权利要求26的方法，其特征在于：所述基站包括蜂窝式基站。
28．权利要求18的方法，其特征在于所述在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并接收第二、第三和第四GPS信号的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的预期的多普勒频率范围；以及
在所述用户终端，分别在该范围内从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
29．权利要求28的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的预期的多普勒频率范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置；
近似计算相对于远离所述用户终端的位置的所述用户终端的地面位置；以及
使用所述轨道和地面位置的近似值计算预期的多普勒频率的范围。
30．权利要求29的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统接收所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的近似的轨道位置。
31．权利要求29的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置的步骤包括以下步骤：
测试所述第二、第三和第四GPS卫星的从先前的通信中保留在所述用户终端的轨道参数和时钟校正数据，以便了解所述保留的轨道参数和时钟校正数据是否足够新；
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据足够新，则使用所述保留的轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的所述近似的轨道位置；以及
如果确定所述保留的轨道参数和时钟校正数据不是足够新的，
则在所述用户终端从远离所述用户终端的通信系统请求并接收所述第二、第三和第四GPS卫星的当前的轨道参数和时钟校正数据；以及
使用所述当前的轨道参数和时钟校正数据计算所述第二、第三和第四GPS卫星的近似的轨道位置。
32．权利要求31的方法，其特征在于：所述保留的轨道参数和时钟校正数据如果从发出时间起经过的时间少于四小时，则认为它们是足够新的。
33．权利要求29的方法，其特征在于所述相对于远离所述用户终端的位置、近似计算所述用户终端的地面位置的步骤包括以下步骤：
与远离所述用户终端的通信系统通信，以便确定相对于被包含在所述通信系统中的基站的所述用户终端的近似的地面位置，所述基站具有已知的位置。
34．权利要求33的方法，其特征在于：所述基站包括蜂窝式基站。
35．权利要求28的方法，其特征在于在所述用户终端分别从第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获第二、第三和第四GPS信号的步骤还包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的代码相位区间的预期的范围；以及
在所述用户终端，分别在该范围内从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
36．权利要求35的方法，其特征在于所述搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号的步骤包括以下步骤：
进行长时相干积分以便分别从所述第二、第三和第四GPS卫星搜索并捕获所述第二、第三和第四GPS信号。
37．权利要求35的方法，其特征在于所述近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星位于其中的代码相位区间的预期范围的步骤包括以下步骤：
近似计算所述第二、第三和第四GPS卫星的轨道位置；
使用所述日期信息改善轨道位置的近似值；
近似计算相对于远离所述用户终端的位置的所述用户终端的地面位置；以及
使用所述地面和改善的轨道近似值计算代码相位区间的预期的范围。
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