CN1416530A

CN1416530A - 定位方法和装置

Info

Publication number: CN1416530A
Application number: CN01806202A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·周; 本杰明·范罗伊; 约翰·奇奇克利斯
Original assignee: Enuvis Inc
Current assignee: CSR Technology Holdings Inc
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2003-05-07
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: CN100442078C; KR20030007405A; AU2002220135A1; JP2004515766A; US20020097181A1; WO2002046786A2; WO2002046786A3; US6525688B2; JP3921172B2; EP1344085A2; KR100657445B1

Abstract

本发明的一些实施例提供包括几个发射机和至少一个接收机的一种定位系统。每个发射机发送包括一唯一周期性重复成分的信号，并且接收机接收参考信号。基于所接收的参考信号，该定位系统按如下确认接收机的估计位置。对于在一组发射机中的每个发射机，该系统计算所接收的参考信号和发射机的周期性重复成分的复本之间的相位偏移。该系统还确认接收机的近似位置和该接收信号的近似接收时间。该系统然后使用确认的近似位置和时间、以及所计算的相位偏移来计算该组发射机的伪距。最后，该系统通过使用所计算的伪距确认接收机的估计位置。

Description

定位方法和装置

技术领域

本发明涉及定位方法和装置。

背景技术

在许多应用中，必须估计目标在其环境中的位置。至今，已经提出了众多用于该任务的定位系统。一个这样的系统是全球定位系统(GPS)。该系统包括大量绕地球轨道而行的卫星。它还包括GPS接收机，监控站，以及在地球上的差分GPS接收机。

GPS卫星发送信号，从该信号中GPS接收机能够估计它们在地球上的位置。GPS卫星信号典型地包括以下成分：(1)载波信号、(2)伪随机噪声(PRN)码、以及(3)导航数据。GPS卫星在两个载波频率上发送。第一载波频率是大约1575.42MHz，同时第二载波频率是大约1227.60MHz。第二载波频率主要用于军事应用。

每颗卫星使用两个PRN码调制所述第一载波信号。第一个码是粗/捕获(C/A)码。该代码是称为码片(chip)的1023个元素的序列，并且它调制在大约1MHz速率上。该第二个码是精确(P)码，以7天周期重复并且调制在10MHz速率处。不同的PRN码会分配到不同的卫星，以区分由不同卫星发送的GPS信号。

所述导航数据叠加在所述第一载波信号和所述PRN码上。该导航数据是作为5个帧的序列发送的。每帧是6秒长，并且它包含何时发送该帧的时间标记。导航数据帧也提供关于卫星时钟误差、卫星轨道(即，星历表数据)以及其它系统状态数据的信息。GPS卫星从在其高度、位置、以及速度上的监视星历表误差的监控站中接收它的星历表数据。

基于由该GPS卫星发送的信号，GPS技术典型地通过使用三角测量法估计GPS接收机的位置，该方法典型地要求捕获并跟踪1.57542GHz频率上的至少四个卫星信号。GPS信号捕获经常涉及在各种相位偏移和多普勒(Doppler)频移的情况下，所接收的GPS信号与每颗卫星的C/A码之间的相关计算。码相位和相位延迟是相位偏移的其它叫法。对于每颗卫星，GPS捕获技术记录所计算的最大相关值和导致该值的相位偏移和多普勒频移。GPS捕获技术然后确认导致该所记录的最高相关值的几颗卫星(例如，四颗卫星)。

在信号捕获之后，信号跟踪处理在与记录的这些卫星的相关值有关的相位偏移和多普勒值，解码来自所确认卫星的信号。具体地，该信号跟踪处理使用所确认卫星的所确认的相位偏移和多普勒值来提取每个所确认卫星的导航数据。部分提取的数据是所述时间标记信息。

从提取的时间数据中，信号跟踪处理能够计算接收机和所确认的卫星之间的距离。特别地，能够通过从接收机收到卫星信号的时间减去卫星的发送时间(即卫星的提取的时间标记)来计算卫星的信号传输延迟(即，信号从卫星发送到接收机的时间)。而通过将卫星信号传输延迟乘以光速能够计算接收机和卫星之间的距离。接收机和卫星之间的估计或者精确的距离经常被称为该卫星的伪距(pseudorange)。

在信号跟踪之后，三角测量处理典型地基于计算的卫星的伪距和位置来计算GPS接收机的位置。在信号捕获期间所确认的每颗卫星的位置是能够从该卫星的星历表数据中计算出的。理论上，三角测量要求仅计算三颗卫星的伪距和位置。然而，因为接收机时钟的不精确，三角测量法经常使用四颗卫星的伪距和位置。

一些GPS系统还通过使用差分GPS技术提高其精度。这样的技术要求在已知位置处的差分GPS接收机的操作。不像使用定时信号计算其位置的常规GPS接收机，差分GPS接收机使用其已知的位置计算由于信号路径引起的定时误差。这些差分GPS接收机确定GPS信号所应该是的传送时间，并且将它们与它们实际所是进行比较。基于这些比较，差分GPS接收机产生中继到邻近的GPS接收机的“误差校正”因子。该GPS接收机然后将这些误差分解为它们的传输延迟的计算中的因子。

信号跟踪有许多缺点。例如，它是计算密集的，并且由此耗费相当的时间。还有，当该时间标记嵌入在6秒长的导航数据帧中时，信号跟踪最坏需要6秒、并且平均需要3秒的GPS数据以提取所选卫星的时间标记。这些要求依次又降低了定位处理的速度。最终，信号跟踪和数据的可靠解码要求比捕获所需的更高的信号功率。当在室内或者城市环境中GPS信号受到削弱时，这成为一个明显的障碍。

由此，需要一种能够快速地确认GPS接收机的位置的全球定位系统。还需要一种仅需要少量接收的GPS数据来确认GPS接收机位置的的全球定位系统。更一般地，需要一种解决一些或者全部上述需要的一种定位系统。

发明内容

本发明的一些实施例提供了包括几个发射机和至少一个接收机的一种定位系统。每个发射机发送包括唯一的周期性重复成分的信号，以及接收机接收一个参考信号。基于接收的参考信号，该定位系统如下确认接收机的估计位置。对于在一组发射机中的每个发射机，系统计算接收的参考信号和发射机的周期性重复成分的复本之间的相位偏移。该系统还确认接收机的近似位置和接收信号的近似接收时间。系统然后使用确认的近似位置和时间、以及计算的相位偏移，计算该组发射机的伪距。最后，系统通过利用所计算的伪距确认该接收机的估计位置。

附图说明

在所附权利要求书中提出了本发明的新颖特征。然而，为了解释的目的，在下列图中提出了本发明的几个实施例。

图1说明接收GPS信号并从该GPS信号中产生大量数字采样的信号处理电路；

图2说明从由所述信号处理电路产生的数字采样中确定GPS接收机的位置的处理；

图3说明一种定位系统；

图4说明计算在特定发送时间的GPS卫星的近似位置的处理；

图5说明“经过”一近似位置的一卫星和未“经过”该近似位置的另一卫星；

图6说明确认经过一近似位置的卫星的处理；

图7说明计算几颗卫星的相位偏移的处理；

图8说明GPS接收机从几颗GPS卫星中接收的码段的类型；

图9说明用于计算伪距的处理；

图10说明由GPS接收机接收的PRN码、由该GPS接收机存储的该码的复本、以及该复本的相移变形。

具体实施方式

本发明提供定位方法和装置。在以下描述中，为解释的目的提出了各种细节。然而，本领域的一般技术人员应该理解可以不使用这些特定细节实现本发明。例如，通过参考全球定位系统描述本发明的一些实施例如下。一般技术人员应该理解本发明的其它实施例是用于其它类型的定位系统中。在其它例子中，为了不以不必要的细节模糊本发明的描述，以方框图形式示出了公知的结构和设备。

本发明的一些实施例是从接收机所接收的“参考信号”中确定接收机的位置的定位系统。当用于本文中时，参考信号意指从中可以推导出位置信息的任何类型的信号。由此，该参考信号可能是GPS(“全球定位系统”)信号、CDMA(“码分多址”)信号、GSM(“全球移动通信系统”)信号、TDMA(“时分多址”)信号、CDPD(“蜂窝数字分组数据”)信号、或者从中可以推导出位置信息的任何其它信号。

然而，在下述实施例中，该参考信号是能够用于估计GPS接收机位置的GPS信号。在地球上，GPS接收机典型地接收作为由环绕地球轨道的GPS卫星发送的几个信号的复合信号的GPS信号。这样的GPS卫星信号的特征是在背景技术部分中描述的。

GPS接收机可以是独立装置、可以是另一移动设备(例如，个人数字助手(“PDA”)、无线电话、等)的一部分、或者可以通信连接到另一移动装置(例如，经由它的专利所有人Springboard连接到Handsping Visor PDA)。在申请于2000年12月4日、具有序列号09/730324、标题为“Method andApparatus for Determining Location Using a Thin-Client Device″的美国专利申请中，描述了GPS接收机的几个这样的结构。该申请(即，申请于2000年12月4日、具有序列号09/730324、标题为“Method and Apparatus forDetermining Location Using a Thin-Client Device”的美国专利申请)的公开综述于此作为参考。

一些实施例通过(1)从由接收机接收的GPS参考信号中最初产生K数字采样s₁、...、s_K，并且然后(2)利用该数字化的GPS参考数据来估计GPS接收机的位置。该GPS接收机典型地执行数字化操作。还有，在一些实施例中，GPS接收机仅数字化所接收GPS信号的一部分。以下参考图1将描述GPS接收机能够用来产生这样的采样的信号处理电路的例子。

一些实施例通过利用能够被(1)完全由GPS接收机执行、(2)完全由与GPS接收机通信的另一设备和计算机执行、或者(3)部分地由GPS接收机、部分地由与GPS接收机通信的另一装置和计算机执行的定位处理，从而数字化的参考数据中估计GPS接收机的位置。

在一些实施例中，定位处理计算一组卫星的伪距而不执行关于接收的GPS参考数据的信号跟踪。在这些实施例中，该处理为该组中的每颗卫星计算所接收的参考信号的采样和该卫星的PRN码的复本之间的相位偏移。该系统还确认接收机的近似位置和近似接收时间(例如，接收信号开始的近似时间)。

该系统然后使用接收机的近似位置、近似接收时间、以及所计算的相位偏移来计算该卫星组的伪距。为计算卫星的伪距，一些实施例使用该卫星的计算的相位偏移和该接收机的近似位置，来计算由该卫星从它发送导致第一采样s₁的信号的时间到接收机产生第一采样s₁的时间所发送的全部或者大部分PRN码的长度。最后，该系统通过使用计算的伪距确认接收机的估计位置。

在一定环境中，估计的接收机位置匹配精确的接收机位置。在其它环境中，所估计的接收机位置匹配精确接收机位置到如此高的精确度上，以致对观察者来说它不能与精确位置相区别。然而，在另外的其它情形中，所估计的位置不同于该GPS接收机的实际位置一定的误差量；在这些情形中，一些实施例采取一些步骤以确保该误差(在所估计的和实际的接收机位置之间)对于特定定位应用是可容许的。将参考图2-10解释一些更具体的定位处理。I.产生数字参考数据

图1说明接收GPS信号并且从该GPS信号中产生K数字采样的信号处理电路100。如该图所示，信号处理电路100包括GPS天线105、GPS调谐器110、时钟115、下变频器120、以及模拟到数字(“A/D”)变换器125。

GPS天线105接收地球上的作为噪声和由环绕地球轨道的几个GPS卫星所发送的几个GPS信号的复合信号的GPS信号。天线105及其相关电路被配置用于接收当前大约是1.57GHz(“Ghz”)的GPS载波频率上的参考GPS信号

。RF(射频)调谐器110接收来自天线105的GPS信号

。调谐该调谐器110以捕获在该GPS信号的近似频率上的信号。由此，该调谐器捕获由天线105接收的GPS参考信号

RF调谐器通信地连接至时钟115以接收时钟信号。该时钟115产生一个或者多个时钟信号以同步信号处理电路100的组件的操作。该时钟还接收同步时钟信号130。时钟115能够从各种源中接收同步信号130。例如，在一些实施例中，信号处理电路100包括RF处理电路，该RF处理电路(1)捕获带有同步信号的无线电信号、并(2)提供该信号到时钟115。

同步信号允许该时钟最初设置它的内部时间。它还允许该时钟与参考时钟同步。在一些实施例中，接收机是网络(例如，无线电话网络)的一部分，并且它的时钟115与网络时钟同步以保持接收机时钟偏离GPS时钟在几毫秒或微秒以内。一些实施例将时钟115同步在GPS时钟的1微秒或更少以内。接收机时钟的不精确度将取决于(1)获得同步信号130的源和方法、(2)同步信号源的时钟的精度、以及(3)GPS接收机时钟的精度。

应该注意到，其它实施例使用其它技术来保持接收机时钟在期望的GPS时间间隔以内。例如，一些实施例可以使接收机估计并内部补偿它的时钟漂移。其它实施例在它们的接收机中使用高精度时钟。

如图1所示，下变频器120接收调谐器的输出(即，接收所捕获的GPS参考信号

)。下变频器120将捕获的GPS参考信号变换为中频(“IF”)参考信号

。为了作到这些，在一些实施例中该下变频器120包括变换捕获的GPS信号的频率为诸如50MHz的IF频率的IF混频器。在一些实施例中，下变频器还包括一个或多个带通和放大级以滤波和放大IF混频器的输入和/或输出。

信号处理电路100利用下变频器以便A/D变换器125能够在与无线电频率相对的中频处采样参考信号。一般技术人员应该理解，其它实施例能够在它们的信号处理电路中包括多于一个下变频器。还有，一些实施例使用一个或多个下变频器以将GPS参考信号变换为能够然后由A/D变换器采样的基带参考信号。

在一些实施例中，A/D变换器的采样率至少是频带的大小的两倍，同时在其它实施例中采样率不同于该采样率。A/D变换器125采样从下变频器120接收的IF参考GPS信号 s(t)，并且输出IF GPS信号 s(t)的K数字采样s₁、...、s_K。这些采样仅来自接收的GPS信号的一部分，并且用作该定位处理使用的数字GPS参考数据。

这些采样在GPS时间t₁、...、t_K处被取得。对应的接收机时钟时间用

表示。由此，

代表当接收机收到了GPS信号的第一采样时所记录的接收机时钟时间。该第一采样时间在下述实施例中代表产生第一采样时的近似时间，因为它是根据不完全同步于GPS时间的接收机时钟而测量的。A/D变换器还输出第一采样时间

。在该文中，一般在变量上放置“tlide(西班牙语字母上面的～)”(像

)以指示该变量的值是该变量所代表的项的实际值的近似值。□估计GPS接收机的位置

图2说明从信号处理电路100所产生的数字采样中估计GPS接收机的位置的定位处理200。在下述实施例中，独立于GPS接收机的定位服务器执行该处理200。一般技术人员也应该领会，在其它实施例中，或者(1)完整由GPS接收机、或者(2)部分地由GPS接收机并部分地由与该GPS接收机通信的另一装置或计算机(例如，定位服务器)来执行该处理200。

图3说明执行处理200的定位服务器300。在一些实施例中，该服务器仅是台计算机，同时在其它实施例中，几台计算机形成该服务器。在一些实施例中，这几台计算机在地理上可以是散布的。该服务器可能是单独的装置或者它可能是其它装置的一部分。

如图3所示，定位服务器300经由一个或多个基站310从客户机设备305接收数字GPS参考数据s₁、...、s_K。客户机设备305或者是包含一GPS接收机的GPS接收机、或者与一GPS接收机通信连接。另外，每个基站检测在特定区域内的GPS接收机信号传输，并且将该信息中继到定位服务器。一般技术人员应该领会，基站能够使用各种通信结构和网络将来自GPS接收机的信号中继到定位服务器。在一些实施例中，基站是提供到客户机设备305的无线通信的小区塔(cell tower)。

无论何时定位服务器300从特定GPS接收机中接收数字GPS参考数据s₁、...、s_K，它都为该特定GPS接收机执行处理200。除了接收机的参考GPS数据，在本发明的一些实施例中，服务器300还使用几个其它数据项来执行处理200。例如，一些实施例使用GPS接收机的近似位置来计算几颗卫星的伪距。在下述一些实施例中，近似位置被用三维矢量来

代表，代表在以地球为中心的地球固定坐标系中的一点。一些实施例指定该近似位置在实际GPS接收机位置的±150公里内。

不同的实施例不同地确定该近似位置

。在下述实施例中近似位置是中继由接收机所产生的GPS参考数据的基站310的位置。这些实施例中的一些从由基站提供的信号中提取近似位置信息。在其它实施例中，服务器300使用基站的标识从存储所有基站的位置的存储结构(诸如图3中的数据库315)中检索基站的位置信息。其它实施例通过在基站处使用到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、和/或到达扇区(SOA)方法，来测量基站310与客户机装置305之间的信号强度来确定近似位置。其它实施例还将当前第一采样时间的预定时间间隔内所记录的最新的GPS接收机位置确定为该近似位置。一般技术人员应该领会，其它实施例使用大量其它方法来确认该近似GPS接收机位置。

在一些实施例中，数据处理服务器还需要访问差分GPS数据、卫星时钟校正数据、导航比特、以及星历表数据。服务器能够从各种源中接收这样的数据。例如，如图3所示，服务器能够经由诸如因特网的通信网络325从一个或多个参考GPS接收机320中接收这样的数据。

为了执行特定GPS接收机的处理200，定位服务器300最初(在步骤205中)计算在这些卫星发送导致GPS参考数据的第一采样s₁的信号时的所有GPS卫星的近似位置。在以下第II部分A节中将参考图4进一步描述该计算。该处理然后(在步骤210中)确认经过GPS接收机的近似位置

的N颗GPS卫星。在以下第II部分B节中将参考图5和6进一步描述该确认。在确认近似位置的N颗过顶卫星之后，该处理200(在步骤215中)计算P颗卫星的相位偏移，其中P是等于或小于N的数字。以下将参考图7在第II部分C节中进一步描述该计算。

对于P颗卫星的每颗，该处理然后(在步骤220中)从它的计算的代码相位、GPS接收机的近似位置、以及该卫星的近似位置，计算伪距。如下进一步描述，每颗卫星的近似位置是基于接收机时钟的近似第一采样时间来计算的。以下将参考图8-10在第II部分D节中进一步描述伪距的计算。

处理200然后(在步骤225中)利用计算的伪距来计算GPS接收机的估计位置。一些实施例使用三角测量技术从所计算的伪距中来计算GPS接收机的估计位置，如以下第II部分E节所述。

A.卫星位置的计算

如上所述，定位处理200最初计算在这些卫星发送导致第一采样s₁的信号时，这些卫星的近似位置。接收机在时间产生该第一采样。

给定星历表和差分数据，卫星i的位置yⁱ实际上是GPS时间t的确定性函数。在1996年Artech House出版的由Elliott Kaplan写的“Understanding GPSPrinciples and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第38页表2.3中提供了用于从星历表和差分数据中推导卫星的位置的一组等式。所计算的卫星位置典型地是在以地球为中心的地球固定坐标系中定义的三维矢量(yⁱ∈R³)。

为了计算卫星i的位置，处理200需要首先计算该卫星发送导致第一采样的信号的时间。然而，不执行信号跟踪，精确的发送时间是难以计算的。由此，处理200计算每颗卫星的近似发送时间和位置、而不是计算这些参数的精确值。

更具体地，每颗卫星i的精确发送时间等于实际第一采，洋时间t₁减去卫星的实际信号转接延迟τ_i。信号转接延迟τ_i是在卫星发送导致第一采样的信号和接收机产生该第一采样之间的时间。等式(1)说明计算卫星i的精确信号转接延迟τ_i的一种方法。

τ_{i} = H (l, y^{i} (t_{1} - τ_{i})) = \frac{| | l - y^{i} (t_{1} - τ_{i}) | |}{c} + τ_{i}^{α} + τ^{r} - - - (1)

在该等式中，l是接收机在第一采样时间t₁时的精确位置，yⁱ(t₁-τ_i)是卫星在精确发送时间(t₁-τ_i)时的精确位置，c是光速，τ_i ^α是由于大气条件造成的延迟，τ^r是由接收机处的模拟处理所引起的延迟。

通过使用差分数据，定位处理200能够确定大气延迟τ_i ^α。它还能够从存储结构(诸如数据存储器315)中检索与每个GPS接收机有关的处理延迟τ^r。然而，难以确定(1)精确的第一采样时间t₁、(2)在精确的第一采样时间t₁接收机的精确位置l、、或者(3)在精确发送时间(t₁-τ_i)卫星的精确位置yⁱ(t₁-τ_i)。由此，难以解出等式(1)以获得信号转接延迟τ_i的精确值。

由此，在一些实施例中，定位处理200(在步骤205中)为每颗卫星i计算该卫星的近似信号转接延迟。下面的等式(2)说明计算近似信号转接延迟的一种方法。该等式假定(1)第一采样时间是，(2)接收机位于近似位置

，以及(3)卫星在发送时间的位置等于它在近似第一采样时间

的位置。

{\tilde{τ}}_{i} = H (\tilde{l}, y^{i} ({\tilde{t}}_{1})) = \frac{| | \tilde{l} - y^{i} ({\tilde{t}}_{1}) | |}{c} + τ_{i}^{α} + τ^{r} - - - (2)

如上所述，一些实施例使用基站塔位置作为近似GPS接收机位置

，并且通过利用所接收的小区塔标识从数据库中检索该塔位置。

对于每颗卫星i，该处理由此能够基于近似第一采样时间和该卫星的近似信号转接延迟计算近似发送时间

。因此，对于每颗卫星i，该处理通过利用星历表和差分数据计算卫星在所计算的发送时间的近似位置。如上所述，在1996年Artech House出版的由ElliottKaplan写的“Understanding GPS Principles and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第38页表23中，提供了给定星历表和差分数据用于推导卫星位置的一组等式。

能够看出在该方法下计算的近似卫星位置偏离发送时间的真实的卫星位置不超过几米。小于150公里的近似位置误差将不导致在精度上的损失，同时在接收时间中的误差小于每毫秒四米。当接收机是网络(诸如蜂窝网络)的一部分时，该接收机时钟比1毫秒精确得多。在该文件的备录中，符号被用作近似卫星位置的简写。

图4说明使用上述方法来计算每个GPS卫星i在卫星发送导致第一产生采样的信号的近似时间的近似位置的处理400。在本发明的一些实施例中，由处理200在步骤205中使用该处理。

如图4所示，处理400从它具有的GPS卫星列表中最初(在步骤405中)选择第一GPS卫星i。然后该处理(在步骤410中)确定与接收机相关的信号处理延迟τ^r。一些实施例在存储结构中存储能够与处理200和定位服务器300一起使用的每个GPS接收机相关的处理延迟τ^r。由此，在这些实施例中，处理400从该存储结构中检索与待解决的特定GPS接收机相关的处理延迟τ^r。

然后，对于所选的卫星，该处理(在步骤415中)计算大气延迟τ_i ^α。该大气延迟能够从所接收的差分GPS数据和近似接收机位置中推导出。在1996年Artech House出版的由Elliott Kaplan写的“Understanding GPSPrinciples and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第8章揭示了用于从所接收的差分GPS数据中推导在一位置的大气延迟的一种方法。

在步骤420中，该处理然后计算所选卫星在近似第一采样时间的近似位置。在一些实施例中，该处理通过利用在1996年Artech House出版的由E11iott Kaplan写的“Understanding GPS Principles and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第38页表2.3中提供的等式组从星历表和差分数据中计算在时间

的该位置。

在计算卫星在时间的近似位置之后，处理400(在步骤425中)计算所选卫星的近似信号转接延迟。该处理使用上述等式(2)从(在步骤420中计算的)近似卫星位置、信号处理和大气延迟τ^r和τ_i ^α(分别在步骤410和415中获得)、以及近似接收机位置

来计算近似信号转接延迟

然后，该处理(在步骤430中)通过从近似第一采样时间

中减去近似信号转接延迟 (在步骤425中计算出的)来计算所选卫星的近似发送时间。该处理然后(在步骤440中)计算所选卫星在步骤435中计算的近似发送时间的近似位置。在一些实施例中，该处理通过利用在1996年Artech House出版的由E11iott Kaplan写的“Understanding GPSPrinciples and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第38页表2.3中提供的等式组从星历表和差分数据中计算该位置。

在计算所选卫星在近似发送时间的位置之后，该处理(在步骤440中)确定所选卫星是否是在其GPS卫星列表上的最后的GPS卫星。如果不是，则该处理(在步骤445中)从该列表中选择另一GPS卫星，并且重复步骤415至435以确定该新选择卫星的近似位置。否则，该处理结束，因为它已经计算了所有GPS卫星在它们发送导致第一产生采样的信号的近似时间的位置。

B.过顶卫星的确认

在确认了GPS卫星的近似位置之后，处理200(在步骤210中)确认当前“过顶”的卫星。在一些实施例中，处理200通过作个简单假设：当且仅当卫星过顶于近似位置

时卫星才过顶于客户机装置305，来确认“过顶”卫星。

由此，在这些实施例中，处理200检查每颗卫星i并且确定该卫星是否经过近似位置。在一些实施例中，当且仅当

{\tilde{l}}^{'} \tilde{l} \leq {\tilde{l}}^{'} {\tilde{y}}^{i}

时该处理才指定卫星i作为过顶卫星。(注意，符号“′”表示矢量变换)。即，当且仅当该卫星的近似位置矢量s_i与近似位置矢量的内积大于或等于近似位置矢量本身的内积时，该处理才判定卫星i作为过顶卫星。

该判定标准基本上确定卫星的近似位置矢量yⁱ在近似位置矢量上的投影模是否大于或等于该近似位置矢量

的模。如果这样，则该卫星是颗过顶卫星。

图5图解说明该判定标准。该图呈现了在地球510上的近似位置

的接收机505，以及环绕地球轨道的两颗卫星515和520。卫星515不是过顶卫星，因为它在位置的水平面525以下。因此，它的位置矢量y⁵¹⁵在近似位置矢量

上的投影模小于该近似位置矢量

的模。在另一方面，卫星520是过顶卫星，因为它在位置

的水平面525之上。由此，其位置矢量y⁵²⁰在近似位置矢量

的投影模大于该近似位置矢量

的模。

图6说明使用上述方法去确认过顶卫星的处理600。在本发明的一些实施例中，由处理200在步骤210中使用该处理。如图6所示，处理600(在步骤605中)最初计算近似位置矢量本身的内积。

处理600然后(在步骤610中)从它具有的GPS卫星列表中选择GPS卫星。然后该处理(在步骤615中)计算近似位置矢量

与在步骤205中计算的所选卫星的近似位置矢量

的内积。

在步骤620中，处理600确定在步骤615中产生的内积是否大于或者等于在步骤605中产生的内积。如果不是，该处理转移到下面将描述的步骤630。否则，该处理(在步骤625中)判定在步骤610中选择的卫星是过顶卫星，并且然后转移至步骤630。

在步骤630中，该处理确定它是否已经检查在其GPS列表上的所有GPS卫星。如果否，则该处理返回到610从该列表中去选择另一GPS卫星，并且重复上述操作以确定该新选择的卫星是否是过顶卫星。

一旦该处理(在步骤630中)确定已经检查了所有GPS卫星，则该处理结束。典型地，在处理600结束时，该处理已经确认一些整数数目N的GPS卫星作为过顶卫星。

C.相位偏移的计算

在确认近似位置

的过顶卫星之后，处理200(在步骤215中)计算过顶卫星的相位偏移。下面描述一种计算相位偏移的方法。然而，一般技术人员应该领会，可以使用各种其它方法来计算相位偏移。

卫星的相位偏移是在(1)作为接收的GPS参考数据的一部分的卫星的PRN码与(2)作为处理200所使用的该卫星的PRN码的复本之间的相位差。处理200通过计算模糊函数(ambiguity function) ，即接收的GPS参考数据与该卫星的PRN码的复本之间在各种候选相位偏移和多普勒频移值

的内积的模的平方，来计算卫星的相位偏移。等式(3)和(4)提供该模糊和相关函数的数学表达式。

A_{i} (\hat{φ}, {\hat{f}}_{D}) = | R_{i} (\hat{φ}, {\hat{f}}_{D}) |^{2} - - - (3)

R_{i} (\hat{φ}, {\hat{f}}_{D}) = \frac{1}{K} Σ_{K = 1}^{K} {\overset{&OverBar;}{x}}_{i} (t_{K} - {\tilde{t}}_{1} - \hat{φ}) {\tilde{s}}_{K}^{{\hat{f}}_{n}} - - - (4)

在这些等式中，(1)t_K表示第k个采样的GPS时间，(2)

是已经对其应用了候选多普勒频移值之后的第k个采样，(3)候选多普勒频移值代表卫星多普勒和时钟多普勒值的总和，以及(4) x_i(t)是处理200使用的该卫星的C/A码复本x_i(t)(由导航比特调制)的带通滤波信号。通过将该采样乘以

e^{- 2 πj (f_{IF} + {\hat{f}}_{D}) (t_{K} - t_{1})}

，将该多普勒频移值应用到第k个采样上。

在一些实施例中，搜索候选值是彻底的，并且把导致该卫星的最大模糊值的该候选对的相位偏移选择作为该卫星的相位偏移。如下参考图7所述，一些实施例采取该选择步骤更进一步。这些实施例使用模糊门限比来检测有用的相位偏移，并且忽略没有有用的相位偏移的卫星。例如，一些实施例为使得其相位偏移被认为是有效的，要求卫星的最大模糊度超过平均模糊度一个常比。在其它实施例中，能够使用各种门限测试，诸如在最高模糊峰和下一最高模糊峰之间的比。

还有，一些实施例不是计算内积函数作为每个

和的一系列乘积的和，而是视

作为一相关(correlation)。在一些实施例中，使用相关定理和快速傅立叶(Fourier)变换(“FFT”)来提高计算时间。

图7呈现用于计算几颗过顶卫星的有用相位偏移的处理700。处理200在它已确认该过顶卫星之后在(在步骤21 5中)执行处理700。处理700(在步骤705中)最初选择一过顶卫星并且定义该卫星的最大模糊值等于0。

然后，处理700(在步骤710中)为所选卫星列举大量候选相位偏移和多普勒频移值，该处理然后(在步骤715中)选择一个候选的相位偏移

和多普勒频移值

，并且通过利用以上等式(3)和(4)(在步骤720中)计算所选候选对的模糊值。

然后该处理(在步骤725中)确定在步骤720中计算的模糊值是否大于至此为所选卫星记录的最大模糊值。如果否，则该处理转移到下面将描述的735。如果是，则该处理(在步骤730中)将最大模糊值设置为等于在步骤720中计算的值，并且将该卫星相位偏移存储为至此最佳的相位偏移。然后该处理转移到735。

在步骤735中，该处理确定它是否已经检查了所有候选对。如果否，则该处理返回到715去选择另一候选对。否则，该处理(在步骤740中)确定所选卫星的最大模糊值是否超过门限模糊值。如果是，该处理(在步骤745中)将所选卫星添加到需要计算伪距的卫星列表中，并且记录在步骤730中存储的该卫星的最佳相位偏移作为它的相位偏移。

该处理从步骤745转移到步骤750。如果该处理(在步骤740中)确定所选卫星的最大模糊值未超过门限模糊值，则该处理还转移到步骤750。在步骤745中，该处理确定它是否已经检查了所有过顶卫星。如果否，则该处理返回到705以选择另一卫星。否则，该处理结束。

D.伪距的计算

在计算了几个过顶卫星的相位偏移之后，处理200然后(在步骤220中)使用接收机的近似位置和所计算的相位偏移来计算该组卫星的伪距。为了计算卫星的伪距，处理200计算由该卫星从它发送导致第一采样s₁的信号的时间到接收机产生该第一采样s₁的时间所发送的所有或者大部分PRN码的长度。

如上所述，信号转接延迟指的就是该时间段(即，它是在卫星发送导致第一采样s₁的信号和接收机产生该第一采样s₁之间的时间)。在第i个卫星信号转接延迟期间，卫星i发送几个PRN码。

图8说明能够将这些PRN码分组为三类。第一类是包含导致第一采样s₁的信号的PRN码段(segment)805。在下面的讨论中，将该PRN码段称为第一PRN码段。当导致第一采样的信号是第一PRN码码片的一部分时，将该第一PRN码段805说成是完整或者实际完整段；并且当导致第一采样的信号是第一PRN码码片之后的码片的一部分时，将它说成是部分段(partialsegment)。

第二类包括卫星在第一PRN码之后但在第一采样时间之前发送的完全(full)PRN码810。在下面的讨论中，将这些PRN码称为完全PRN码。第三类是当接收机产生第一采样时卫星正在发送的PRN码815。在下面的讨论中，将这个PRN码段称为最后的PRN码段815。当在第一采样时间卫星正在发送该代码的最后码片时，将该最后的PRN码段815称为完整或者实际完整段；并且当在第一采样时间卫星正在发送该代码的最后码片之前的码片时，将它称为部分段。

下面的等式(5)说明通过在计算出差分校正和该卫星的时钟误差之后求和第一、最后、以及完全PRN码段的长度来计算GPS接收机和第i颗卫星之间的估计距离的一种方法。即，等式(5)提供第i颗卫星的伪距ρ_i的数学表达式。

ρ_{i} = p_{i} + {m_{i}}^{l} + (c ν_{i} + d_{i}^{ϵ}) + d_{i} - - - (5)

在该等式中，(1)p_i是第一码段的长度，(2)m_i是完全PRN码的数目，(3)l是完全PRN码长度，它大约300公里，(4)ν_i是第i颗卫星的发送相位，(5)c是光速，(6)cν_i是未调整卫星时钟误差的最后PRN码的长度，(7)d_i ^ε是卫星时钟误差校正因子，以及(8)d_i是大气误差校正因子。

因此，在等式(5)中，(1)第一项(p_i)计算出第一码段的长度，(2)第二项(m_i ^l)计算出完全PRN码的长度，(3)第三项(cν_i+d_i ^ε)计算出调整了卫星时钟误差之后的最后PRN码的长度，以及(4)第四项(d_i)计算出大气延迟。

图9说明用于根据下面的等式(6)计算卫星的伪距的处理900。

ρ_{i} = p_{i} + {m_{i}}^{l} + d_{i}^{ϵ} + d_{i} - - - (6)

等式(6)提供了用于计算第i颗卫星的另一伪距ρ_i的数学表达式。除了不包括作为未调整卫星时钟误差的最后PRN码的长度的cν_i，等式(6)类似于等式(5)。如下进一步所述，处理900不计算cν_i，而是将它留给下一步的三角测量操作来一起计算所有P颗卫星的该项。

1.计算第一PRN码段的长度

卫星i的第一码段805的长度p_i是与该卫星的相位偏移φ_i相关的码长度。因此，该代码长度在下面的讨论中被称为相位长度。图10说明卫星i的相位长度和相位偏移之间的关系。该图呈现3个代码。第一代码1005是在接收信号中第i颗卫星的PRN码(在该图中，所接收PRN码的说明忽略了在该接收信号中的恶化和失真)。

第二代码是该定位处理使用的第i颗卫星的PRN码的复本1010。图10说明完整码复本的长度。第三代码是已经被相位偏移以完美地匹配所接收代码1005的复本的变形1015。如图10所示，与该相位偏移相关的相位长度等于该接收信号中的第一码段的长度。

当将相位偏移φ_i表达为在0至1之间的归一化时间值时，将第i颗卫星的相位长度p_i用等式(7)表达如下：

p_i＝φ_i ^c (7)该相位长度能够得到不同地表达。例如，当相位偏移表达不同时它能够得到不同地表达。

2.计算完全PRN码段的长度

为了计算在第一PRN码805之后但在第一采样时间之前第i颗卫星所发送的完全PRN码810的长度，一些实施例首先计算这些完整码的数目m_i。等式(8)提供用于计算该数目的数学表达式。

m_{i} = round (\frac{| | {\tilde{y}}^{i} - \tilde{l} | | - (p_{i} + d_{i}^{ϵ})}{l}) - - - (8)

如该等式所示，能够基于第i颗卫星的近似位置、GPS接收机的近似位置

、第i颗卫星的计算的相位长度p_i、以及PRN码长度l，估计完全PRN码的数目。具体地，该数目能够通过(1)从GPS接收机的近似位置中减去卫星的近似位置以获得该卫星和接收机之间的近似距离、(2)从该距离中减去相位长度加上距离校正因子d_i ^ε、(3)用所得到的值除以PRN码长度l、以及(4)将该相除的结果取整(round)为最接近的整数值来估计。在下面的小讨论距离校正因子d_i ^ε的计算。一旦估计了完全PRN码的数目，如上所述，通过将该数目乘以PRN码长度l能够获得这些代码的长度。

3.计算最后PRN码段的长度并且调整卫星时钟误差

只要GPS卫星时钟都是通过计算卫星时钟误差而同步的，所有P颗卫星最后码段815的长度就是相等的。由此，如上所述，下面的处理900设置未调整的最后PRN码长度(cν_i)为0，并且将它留给随后的三角测量，以一起为所有P颗卫星计算该项。

如上所述，等式(6)包括计算卫星时钟误差的距离校正因子d_i ^ε。等式(9)提供用于计算该误差校正因子的一个公式。

d_{i}^{ϵ} = {ϵ_{i}}^{c} - - - (9)

在该等式中，ε_i是卫星时钟误差，它在一些实施例中是通过经由通信网络325从GPS接收机320的定位处理来检索的。

4.调整差分校正

如上所述，等式(6)包括差分校正因子d_i。该校正因子是为了计算由大气条件和其它影响引起的信号路径延迟。该差分校正因子能够从包括第三方供货商、经由通信网络325(例如， www.ngs.noaa.gov/CORS/cors-data.html)可公开获得的数据、独立GPS接收机的读数和其它源的各种源中获得。

5.伪距计算处理900

现在将描述图9的伪距计算处理900。该处理(在步骤905中)最始选择处理700为所选择的P颗卫星之一计算它们的伪距。然后，该处理(在步骤910中)使用上述等式(7)从由处理700计算的其相位偏移φ_i来计算所选卫星的相位长度p_i。

然后该处理(在步骤915中)使用等式(9)来计算由于卫星时钟误差引起的距离校正因子d_i ^ε。如上所述，一些实施例经由通信网络325从GPS接收机检索卫星时钟误差ε_i。在步骤920中，该处理使用等式(8)来计算在第一PRN码805之后但在第一采样时间之前所选卫星所发送的完全PRN码810的数目。该处理900然后(在步骤925中)通过将在步骤915中计算的数目乘以大约300公里的PRN码长度l来计算这些完全PRN码的长度。在步骤930中，然后该处理确认大气延迟校正因子d_i。

然后该处理(在步骤935中)通过求和在步骤910、920、925、以及930中计算的值来计算所选卫星的伪距。然后处理900(在步骤940中)确定它是否已经为由处理700确认的所有P颗卫星产生了伪距。如果否，该处理返回到905中去选择下一颗卫星，并且重复910至935去计算新选择的卫星的伪距。否则，该处理结束。

E.确定位置的伪距的三角测量法

在计算伪距之后，处理200然后(在步骤225中)使用所计算的伪距来计算GPS接收机的估计位置。一些实施例使用三角测量技术从所计算的伪距中来计算GPS接收机的估计位置。

存在多种三角测量方法，诸如在1996年Artech House出版的由ElliottKaplan写的“Understanding GPS Principles and Applcation(理解GPS的原理和应用)”一文第44-48页中讨论的那些方法。本领域的一般技术人员应该领会，这些方法的任何一种能够容易地与本发明结合使用以从所计算的伪距来计算接收机位置。

在一些实施例中，三角测量算法使用四颗卫星以补偿卫星距离的一般的不确定性，而不是作为用于在三角测量期间使用四颗卫星的传统GPS分析的接收机时钟误差的补偿。如在第II节D和图8中所述，该不确定性是最后PRN码815。该项是对所有卫星公共的，并且由此，通过包括四颗卫星，三角测量算法能够解出该项。接收机时钟误差和最后PRN码的不确定性是相同实体的等价表示。

一般技术人员应该领会上述实施例具有几个优点。例如，这些实施例不执行信号跟踪来计算卫星的伪距。因此，这些实施例比一些现有技术更快。另外，这些实施例不需要几秒的GPS数据，因为它们不提取卫星时间标识。

在已经参考大量具体细节描述了本发明的同时，本领域的一般技术人员应该领会，本发明能够以其它具体形式来实施而不偏离本发明的精神。例如，即使上述实施例使用商用GPS频率，其它实施例也可使用军用GPS频率，同时其它的可以使用军用和商用频率两者。由此，本领域的一般技术人员应该领会，本发明不限于前述的说明细节，而是由所附权利要求所定义的。

Claims

1.一种全球定位方法，包括：

a)使用全球定位系统(“GPS”)接收机接收GPS信号；

b)计算GPS卫星的伪距(pseudorange)而不执行关于所接收的GPS信号的信号跟踪；以及

c)使用所计算的伪距确认GPS接收机的估计位置。

2.根据权利要求1所述的全球定位方法，还包括：

a)计算至少两个其它GPS卫星的伪距，而不执行关于所接收的GPS信号的信号跟踪；

b)使用所计算的伪距来执行三角测量以确认所述GPS接收机的估计位置。

3.一种计算GPS接收机和GPS卫星的伪距的方法，其中所述GPS接收机接收GPS信号，并且所述GPS卫星重复地发送一代码，所述方法包括：

a)确认所接收的GPS信号和所述卫星的代码的复本之间的相位偏移，其中所述相位偏移对应于所述代码的特定段；

b)确认近似GPS接收机位置；

c)确认所接收的GPS信号的近似时间；

d)基于所计算的相位偏移、近似GPS接收机位置、以及近似时间来计算所述GPS卫星的伪距。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述近似GPS接收机位置是在实际接收机位置的150公里以内。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述接收机具有保持时间的时钟，所述方法还包括保持接收机时钟时间在GPS时间的预定时间间隔以内。

6.根据权利要求5所述的方法，其中保持所述接收机时钟时间包括同步所述接收机时钟时间以匹配由参考时钟产生的时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中同步所述接收机时钟时间包括周期性地同步所述接收机时钟时间以匹配由参考时钟产生的时间。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定时间间隔是1毫秒。

9.一种计算接收机和发射机伪距的方法，其中所述接收机接收开始于特定时间的参考信号，并且所述发射机发送带有周期性重复成分的信号，所述方法包括：

a)确认所接收的参考信号和发射机信号的周期性重复成分的复本之间的相位偏移，其中所述相位偏移对应于所述周期性重复成分的特定段；

b)计算所述特定段的长度；

c)计算发送特定段之后至特定时间所述特定卫星已经发送的完整周期性重复成分的长度；

d)基于所计算的长度计算伪距。

10.根据权利要求9所述的方法，其中计算所述伪距包括求和所述计算的长度。

11.根据权利要求9所述的方法，其中确认所述相位偏移包括在各种相位偏移将所接收的信号与发射机信号的周期性重复成分的复本相关联。

12.根据权利要求9所述的方法，其中计算所述完整周期性重复成分的长度包括：

a)计算在特定段之后至特定时间所述特定卫星所发送的完整周期性重复成分的数目；以及

b)将所计算的数目乘以所述完整周期性重复成分的长度。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述发射机是GPS卫星的一部分，并且所述接收机是GPS接收机。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述卫星包括时钟，并且所述时钟不同于GPS时钟一些误差量，所述方法还包括：

a)确认所述卫星的时钟误差量；

b)产生误差校正因子；

c)在计算所述伪距时考虑所述误差校正因子。

15.根据权利要求14所述的方法，

a)其中产生误差校正因子包括将所述误差量乘以光速；

b)其中考虑所述误差校正因子包括添加所述误差校正因子到所述计算的伪距。

16.根据权利要求13所述的方法，其中计算所述伪距还包括：

a)计算所述卫星的大气延迟校正因子；

b)在计算所述伪距时考虑所述校正因子。

17.根据权利要求16所述的方法，其中考虑所述校正因子包括添加所述校正因子到所计算的伪距。

18.对于包括多颗GPS卫星和一GPS接收机的一全球定位系统(“GPS”)，确认GPS接收机的估计位置的一种方法，其中每个特定GPS卫星发送包括对于所述特定GPS卫星唯一的周期性重复代码的信号，其中所述GPS接收机接收在特定时间开始的信号，所述方法包括：

a)对于在一组GPS卫星中的每个特定GPS卫星，

1)确定所接收的信号和所述卫星的代码的复本之间的相位偏移，其中所述相位偏移对应于所述特定卫星的代码的特定段；

2)计算所述码段的长度；

3)计算所述码段之后至特定时间特定卫星所发送的完整代码的长度；以及

4)基于所计算的长度计算所述特定卫星的伪距；以及

b)通过使用所计算的伪距确认所述接收机的估计位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中计算每个特定卫星的伪距包括求和所述特定卫星的所计算的长度。

20.根据权利要求18所述的方法，其中确认每个特定卫星的所述相位偏移包括在各种相位偏移将所接收的GPS信号与所述特定卫星的代码的复本相关联。

21.根据权利要求18所述的方法，其中计算每个特定卫星的完整代码的长度包括：

a)计算所述特定卫星在所述代码段之后至特定时间所发送的完整代码的数目；以及

b)将所计算的完整代码的数目乘以所述卫星的代码的长度。

22.根据权利要求18所述的方法，其中每颗卫星包括时钟，并且所述时钟不同于GPS时钟一些误差量，所述方法还包括：

对于每颗特定卫星，

a)确认所述特定卫星的时钟误差量；

b)产生误差校正因子；

c)在计算所述特定卫星的伪距时考虑所述误差校正因子。

23.根据权利要求22所述的方法，

a)其中产生误差校正因子包括将所述误差量乘以光速；

b)其中考虑所述误差校正因子包括添加所述误差校正因子到所述特定卫星的计算的伪距。

24.根据权利要求18所述的方法，其中计算每个特定卫星的所述伪距还包括：

a)计算所述特定卫星的大气延迟校正因子；

b)在计算所述特定卫星的伪距时考虑所述校正因子。

25.根据权利要求24所述的方法，其中考虑所述校正因子包括添加所述校正因子到所述特定卫星的计算的伪距。