CN1495436A - 用于高灵敏度卫星定位系统接收器的合成导航数据 - Google Patents

用于高灵敏度卫星定位系统接收器的合成导航数据 Download PDF

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P・W・麦克博尼
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Abstract

一种SPS接收器包括：无线接收器，用于测量到轨道SPS卫星的伪距；本地实时时钟，精确到真实SPS系统时间的三秒之内；以及通信信道，用于从服务器接收NAV数据的再广播。所述服务器与其自己专用的具有足以将SPS系统NAV数据可靠地解调的直接卫星信号接收的导航接收器相关联。SPS接收器从本地实时时钟提供的时间信息和服务器在再广播中提供的年历和星历表数据合成其自己的NAV数据。这样，SPS接收器就可在弱信号环境下工作，否则这是不可能的。

Description

用于高灵敏度卫星定位系 统接收器的合成导航数据
技术领域
本发明涉及导航卫星接收器，更详细地说，涉及用于借助系统-时间信息协助导航接收器初始化的方法和系统。
背景技术
全球定位系统(GSP)和卫星定位系统(SPS)接收器利用从数个地球轨道卫星接收的信号来确定用户位置和速度以及其它的导航数据。刚刚接通的导航接收器并不知道它在哪里，其晶体振荡器多少有误差，也不知道是什么时间。但它可在三秒钟之内或更短的时间内知道时间以及在一百公里内的大致位置。需要寻找准确的时间和卫星载频并将其锁定到卫星传输上，因此要对所有的可能性加以搜索。减少可能性的范围将直接导致更快的最初位置定位初始化。
与蜂窝电话相关联的或能够经由因特网通信的GPS接收器可以用许多途径由连接到已有卫星锁定并被跟踪的其它GPS接收器的网络服务器协助。可以利用电话或网络通信信道向导航接收器提供信息的关键比特以帮助它更快地初始化。本发明人之一，Paul McBurney，和其他人，最近已提交了数个帮助GPS接收器客户的美国专利申请。这些申请汇总于表1，所有这些申请都已经转让给同一受让人，并通过引用被包括在本文中。
                                                 表1
文件编号                      题目       发明人      USPTO提交日期      USPTO序列号
734-01  Satellite Nanigation Receiver and Methodof P.McBurney，A.Woo     11-Oct-00  09/687,044
734-02  Infrastructure-Aiding for SatelliteNavigation Receiver and Method P.McBuruey，A.Woo     28-Feb-01  09/797,521
734-03  High sensitivity GPS Receiver andReception P.McBurney，A.Woo     19-Feb-02  10/079,245
734-04  Total Correction Strategy Stephen J，Edwards，P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,217
734-05  Method and System for PositionCalculation from Calculated Time S.Edwards，P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,244
736-06  Computing Network path Delays soAccurate Absolute Time can beForwarded from a Server to a Client H.Matsushita，P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,251
736-07  No Preamble Frame Sync Akira Kimura，P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,250
736-08  Thin Client P.McBuruey，C.Rasmussen，F.Vaucher，K.Victa     19-Feb-02  10/079,249
736-09  Software Crystal Oscillator H.Matsushita，P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,248
738-10  High Sensitivity Infrequent Use of Sensors P.McBuruey，K.Victa     19-Feb-02  10/079,247
738-11  Real Time Clock P.McBuruey     19-Feb-02  10/079,253
738-12  Shared Reference Station C.Rypinski，M.Junkar     19-Feb-2  10/079,252
GPS卫星发送50-bps的导航(NAV)数据消息，每12.5分钟重复一次。所述消息包括系统时间、卫星星历表以及对于GPS接收器获取对相当多的卫星的信号锁定并产生导航解答至关重要的年历信息。共有25帧，每帧占用30秒，每帧有5个子帧，而每个子帧有10个字。每个子帧的开始处的Z-计数给出它从卫星的传输时间。星历表是最初的三个子帧，而子帧4-5是年历数据，延伸到50页。NAV数据的一个完整的数据帧为1500比特长，要用30秒来发送。
如果NAV数据的信号电平太弱，就不能被可靠地接收和解调。这种情况会发生在室内或甲板下。因此高灵敏度接收器需要通过提供当前NAV数据的另外信道从第三方接收信息帮助。如果已知本地接收器的系统时间，那么，可以将Z-计数信息插入从第三方获得的其他类属的NAV数据消息中。
每个数据帧分成5个子帧1-5，每个子帧为300比特长，例如10个30比特的字。因此要用6秒钟来发送每个有300比特、10个字的子帧。每个子帧以30比特的遥测(TLM)字开始，随后是一个30比特的切换字(HOW)。这两个30比特的字包括24比特的数据和6比特的奇偶校验位。每个子帧中有8个字的数据有效负载。
在每个300比特的子帧前头的TLM字以8比特的前导码开始。前导码使子帧的开始部分可以被识别，并且此后为接收器同步提供主要机制。
第一个300比特子帧在TLM字和HOW后发送卫星飞行器(SV)时钟校正数据。第二子帧发送SV-星历表数据的第一部分。第三子帧发送SV-星历表数据的第二部分。第四和第五子帧用来发送不同页面的系统数据。第四子帧也以TLM字和HOW开始，数据有效负载在12.5分钟后重复循环，以发送有关电离层、UTC和其他数据的长信息。整组的25帧(125子帧)构成以这种12.5分钟的周期发送的完整的导航消息。第五子帧以TLM字和HOW开始，其数据有效负载也在12.5分钟后重复循环，以发送相当大的年历。
时钟数据参数描述SV时钟以及它对GPS时间的关系。星历表数据参数描述相对于卫星轨道的短部分的SV轨道。通常，接收器每小时采集新的星历表数据，但也可以使用长达4小时的老数据而不会有太大误差。星历表参数用于一种算法，所述算法能计算出在星历表参数集所描述的轨道周期内任何时间的SV位置。年历是关于所有SV的近似轨道数据参数。10个参数的年历描述较长时间段的SV轨道，有时在数月中都有用。
有了当前的年历，GPS接收器在启动时的信号获取时间可以显著加速。近似轨道数据用来为接收器预置星座中每个SV的近似位置和载波多普勒频率。
Norman F.Krasner在2001年5月29日颁布的题目为“METHODAND APPARATUS FOR SATELLITE POSITIONING SYSTEMBASED ON TINME MEASUREMNT”的美国专利6239742 B1中，描述了由于载波信号电平太弱而不能读出的NAV数据消息的处理方法。用基站来接收部分NAV数据消息，并与来自远程SPS接收器的类似数据进行比较。远程SPS接收器从它可见的卫星直接接收部分NAV数据消息。基站所记录的NAV分组括有正确的时间识别，所以将时间重叠的两个部分匹配就可帮助远程SPS接收器找到其正确的系统时间。这种比较不是在远程移动接收器进行，而是在基站进行。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种方法和系统，用以协助GPS和SPS接收器的导航卫星接收和接收器的初始化。
本发明的另一个目的是提供一种方法和系统，用以减少GPS和SPS接收器初始化所需的时间。
本发明还有一个目的是提供一种成本低廉的卫星导航系统。
简要地说，本发明的SPS接收器实施例包括：无线电接收器，用于测量轨道SPS卫星的伪距；本地实时时钟，精确度在真实SPS系统时间的三秒之内；以及通信信道，用于从服务器接收NAV数据再广播。此服务器与其自己专用的具有足以可靠地解调SPS系统NAV数据的强度的直接卫星信号接收的导航接收器相关联。SPS接收器从本地实时时钟提供的时间信息和服务器提供的年历和星历表数据合成其自己的NAV数据。这样，SPS接收器就可在弱信号环境中工作，否则是不可能的。
本发明的一个优点是提供了一种系统和方法，能在衰减信号环境下提供SPS接收器的初始化，否则是不可能初始化的。
本发明的另一个优点是提供一种系统和方法，可降低与移动蜂窝电话相关联的电话卫星接收器的成本。
对于本专业的普通技术人员而言，在阅读了以下各种附图所示的优选实施例的详细说明之后，本发明的这些和其他目的和优点就毫无疑问会一目了然。
附图说明
图1是本发明的帮助客户的多普勒估计系统实施例的功能方框图，其中小区站点利用在无线通信信道上传送的多普勒信息帮助移动蜂窝电话；以及
图2是本发明的SPS接收器和系统方法实施例的功能方框图。
具体实施方式
图1示出本发明实施例中的网络系统100，它包括：基准站服务器系统102；用户客户端系统104；以及干预计算机网络106，例如因特网。服务器系统102包括导航卫星接收器，它锁定并跟踪导航卫星108、110和112的星座。这些导航卫星中的一些对客户系统104来说是可见的。包括114和116的导航卫星的另一星座对客户系统104是可见的。客户系统104包括其自己的导航卫星接收器，但可能没有锁定并跟踪其导航卫星112，114和116的星座。
服务器系统102规定为始终处于接通状态并跟踪其导航卫星108，110和112的星座。它能识别精确的绝对的系统时间并能向作为网络客户连接的其它尚未初始化的导航卫星接收器提供当前的星历表、对流层、电离层以及其他信息。这类信息都需要在初始化时确定，从另一来源特意专门提供任何这类信息都会显著改进初次定位时间。
特别是，服务器系统102存储12.5分钟的重复NAV数据消息。它可根据请求将所述NAV数据消息的一部分转发给客户系统104。这就使客户系统104能将它所接收的NAV数据与存储和转发的NAV数据作模式匹配。这样，客户系统104甚至在接收其第一个TLM字中的第一前导码之前就能同步到NAV数据帧。
客户系统104通常具有其自己的24比特的毫秒时钟(Msec24)，所述时钟通电时从零开始。GPS C/A代码的每一个初相(epoch)是一个毫秒。服务器系统102知道GPS时间，并具有Z-计数。Z-计数是代表基本GPS时间单位的29比特的二进制数。10个最高有效位携带GPS周数，19个最低有效位给出周计数的时间(TOW)，以1.5秒为单位。一旦接收器锁定到数个GPS卫星，就可得到更精密得多的系统时间标准。先有技术的装置都靠在初始化时确定Z-计数。
在客户系统104初始化时需要具体确定的是需要对客户的本地时钟、例如Msec24、加多少偏置才可等于GPS时间。这将支配着正确的NAV数据帧同步。如果使用刚刚收到的子帧作为模板来搜索服务器102观察到的子帧的序列记录，那么，在客户系统104中完成这种同步所需的时间就可显著减少。
或者，在网络上通信的每字节费用较高的情况下，对客户系统104更经济的做法是将它所采集的信号快照(snapshot)转发到服务器系统102。服务器系统然后需找出任何模式匹配。此时，服务器系统102发送数据，帮助客户识别当前的整数毫秒供其使用。
在这种比较方案中，服务器系统102最好为基准站跟踪的每个SV存储NAV数据子帧。然后它估算在它自己和数个网络客户104之间存在的网络等待时间。这样就可对每个客户估算GPS时间。此GPS时间指示在客户端当前应观察哪一部分NAV数据子帧。服务器系统102复制这些NAV数据子帧，重写Z-计数，并在HOW字中附加上奇偶校验位，然后将其发送给客户。
在本发明的方法实施例中，客户系统104从服务器系统102得到近似GPS时间，例如在真实GPS时间的一，二秒内。在服务器系统102和客户系统104之间的网络106上会有一些网络路径时延。这些时延要计算在内。
客户系统104通过规定重要的GPS时间、例如具体的毫秒间隔而从服务器系统102请求NAV数据子帧。服务器系统102从其数据库取出相应的子帧模式集。用预期的Z-计数重写HOW字，并加上适当的奇偶校验位。请求的子帧通过网络106发送。
客户系统104利用30比特长的移动窗口来检验服务器系统102通过的子帧数据，并试图找出与它直接从SV所接收的信息的匹配。如果没有匹配，窗口位移一个比特，并反复比较30比特的字。当找到30比特的匹配时，前面的和随后的字也要测试验证。若找到匹配也表明已发现帧同步。然后可以计算偏置时间并加到Msec24上，就可用GPS时间来初始化客户系统104。更准确地说，是从NAV子帧时间中的当前HOW字中提取Z_计数。
一般来说，本发明的实施例依赖模式匹配技术。某些模式成问题，所以需要拒绝不可靠的模式，像‘FFFFFF’，“000000’，’AAAAAA’，’555555’。这些模式通常出现在未发射的SV或未定义的年历页面。另一个模式匹配问题是由比特反转而引起的。
当信号太弱时，通常的接收器固件有时不能检测NAV数据的相位反转。如果接收器不能检测到此变化，则跟在此变化后的所有比特都需翻转。所以应预期某些比特相位反转。根据观察，可以发生多达30个相位反转。TLM字标志子帧报头，每10个30比特字出现一次。HOW字紧随其后，它携带Z-计数的前17比特，第10个字末尾的前2比特总是“00”。由于在这些区域NAV模式非常类似，所以，如果搜索窗口超过10个字，则我们就不能与TLM字匹配。
在获得近似时间之后，客户104提前向服务器102请求子帧数据。返回到客户104的GPS时间会因例如网络106的等待时间而不确定地延迟，故具有бlatency不定性。
在一个实施例中，以群分组的形式发送NAV分组，所述群分组具有最大为2秒的等待时间，例如，群NAV间隔(1000msec)+最大NAV分组长度(1000msec)。这样，客户104应请求子帧的开始时间＝预期的NAV分组的接收时间-(бlatency+2秒)。
将网络和系统响应的等待时间考虑在内，对拟发送到客户104的适当字长做出决定。考虑：
Figure A0312494700111
Figure A0312494700112
其中
Figure A0312494700113
NAV数据流每50个字，或5个子帧1-5，重复一次。如果服务器102发送多于10个字，则不能用TLM字来匹配，因为TLM字在子帧的每次开始都重复。
在一个实施例中，一旦帧已同步，就可对从下一个HOW字的末尾和NAV分组的开始的比特进行计数来确定GPS时间。HOW字携带17比特截断的Z-计数。从HOW字的末尾到下一子帧的开始的偏置为240比特，例如，4800msec。从下一子帧减去此偏置，得到当前的GPS时间。例如：
GPS时间(@msec24)＝Z计数×6000-(偏置+240)×20-70〔msec〕
在SV和地球表面之间的准确发送传播时间很难了解，所以70毫秒的缺省值看来比较合理，因为用它来开始可给出±10毫秒的不定性。
整数毫秒(“intMsec”)代表用户位置和SV位置之间的伪距。在计算第一个Z-计数事件时，假定intMsec为70毫秒。然后msec24变量和GPS时间(“offGpsMsec”)之间的偏置时间就可计算。在第一个Z-计数事件之后，所述事件不应用于GPS时间调整，只用作intMsec计算。根据offGpsMsec，利用以下方程就可求解出每个SV的整数毫秒(“intMsec”)。通过在位置固定例程中求解时间偏置，就可调节GPS时间和offGpsMsec。例如：
offGpM sec＝Zcount×6000-{msec24+(offset+240)×20}-70[msec]
int M sec＝Zcount×6000-{msec24+(offset+240)×20}-offGpM sec.
在本发明的优选无前导码同步方法实施例中，如果模式匹配失败，则包括后退TLM前导码同步检测过程。两种方案都只设定同步位置，例如字ID、子帧ID、页面ID和当前Z-计数。所以这两种方案可以独立并存。如果从服务器102可对客户104提供支持，则首先试验模式匹配技术。然后尝试把TLM字前导码用于同步。如果任一种方案成功，则接收器可以顺利地将所述解码移位。因此，即使没有适当的位模式可以用于无前导码同步模式匹配，在上电后6秒之内，帧边沿一般也可以被同步。
基准站服务器102通过为每个SV存储子帧数据来支持这种无报头同步模式匹配。它估算网络等待时间并推算客户104的GPS时间。服务器102检索在客户GPS时间中心的相应子帧数据。它重写HOW字中的Z计数并对发送到客户104的分组中的子帧数据进行编码。
基准站接收的每个这种子帧数据都存储在数据库中。存储的子帧分组包括5780字节的星历表数据，和3000字节的年历数据，例如：
星历表＝3(子帧)*10(字)*24比特(W/O奇偶性)*32(SV)*2(以前/当前IODE)
年表＝25(页)*2(SF)*10(字)*24比特(W/奇偶性)*2(以前/当前)
由于来自SV的NAV流重复，故所有NAV比特不需存储。服务器可忽略某些子帧数据和全部字奇偶校验位。当系统的星历表改变时，无前导码模式匹配会失败，直到基准站服务器102和客户104二者都实际接收到新的星历表子帧。系统年历改变时亦如此。有时需要12个小时以上年历数据才可从所有的SV上完全更新为新的年历集。所以，以前的和当前的年历数据都必须存储在数据库中。
客户104通过从服务器102获得与当前GPS时间符合的子帧数据而初始化。为此，服务器要近似计算在网络106上传送的信息分组实际由客户104接收的GPS时间。所述时间的接近程度如何取决于服务器对客户的GPS时间估算的精确程度以及发送给客户的字数据的大小。如果服务器能估算客户的GPS时间在±3秒之内，就有可能在例如10个数据字内，即一个子帧，同步NAV帧。
估算了客户104的GPS时间之后，服务器在数据库中检索并获得对应于所述当前GPS时间的适当子帧数据。由于有两套星历表和年历，所以服务器102应跟踪SV应使用哪一个数据集。在对信息字进行编码时，需要第一个字的子帧数据和TLM字。奇偶校验位取决于前一字数据的最后2个比特，而HOW和第10个字的最后比特都是“00”。
重写HOW字很重要。服务器知道当前的GPS时间，所以它可以更改HOW字中的Z计数并固定相关联的奇偶校验位。服务器102最好发送开始字识别符(ID)和10个30比特字的数据。
图2示出本发明的SPS接收器和支持系统的实施例，以下用通用参考数字200来表示。系统200接收来自上空SPS卫星星座202的微波信号传输。信号204在其飞行过程中强度降低，例如在室内时被建筑物衰减(206)。即使所述信号已强烈衰减，但高灵敏度SPS接收器208能够用此信号工作。所述衰减的一种后果是50-Hz的NAV数据消息可能不能识别或不可靠。所以在本发明的所有实施例中，必须用不同的装置来获得。例如由基准站212来获得。
但伪距可以由SPS接收器208直接测量，因为可以收集并处理长的取样周期以利用相关处理增益。无线电接收器214调谐到此传输，相关处理器216对可见卫星提取各种伪距。导航处理器218从实时时钟(RTC)220获得时间信息并从NAV数据合成器222获得Z-计数、星历表和年历NAV数据信息。02/19/2002提交的系列号10/079253的美国专利申请提供了这种RTC的结构和使用的详细情况。
NAV数据合成器222是本发明的实施例所独有的。它重新构建适当的25帧的NAV数据消息，如果衰减206不是如此严重所述NAV数据消息就会被无线电接收器214接收。远程基准站212不提供时间消息给客户104，只提供当前星历表和年历数据。由于与远程基准站212的通信信道通常带宽远高于50Hz，故当前星历表和年历数据就可以在比卫星202发送所用的12.5分钟短得多的时间内转发。
客户224仅接收星历表和年历NAV数据信息。Z-计数和定时信息由NAV数据合成器222和从RTC220读出时间来计算。NAV数据合成器222将组合信息格式化为导航处理器218能自然接受并处理的消息。
重要的是RTC220应精确到三秒之内，否则Z-计数因整数不定性而不能正确写入合成NAV数据。这样从导航处理器218就可能有位置解决方案输出226。特别在与本发明人研发的其他发明和技术相结合时更是如此，这些发明和技术已通过引用包括在本文中。
远程基准站212包括其自己完整的导航接收器228，导航接收器228以常规方式连续地跟踪导航卫星星座202。整个NAV数据消息230在12.5的消息传送时间中被提取出来并存储在本地存储器中。时间分离器232去除定时消息，例如Z-计数。星历表和年历NAV数据234被提取精华并且可用于网络服务器236。网络连接238使客户能请求帮助。服务器236以当前星历表和年历NAV数据表示回答。
或者，可以使用任何通信信道来代替客户224、网络238以及服务器236。例如，无线连接可以通过蜂窝电话和通信卫星提供很好的结果。
在本发明的业务模型实施例中，由远程基准站212的运营商对SPS接收器208的所有人/用户按每次使用收费或为此NAV数据帮助信息收取预约费用。
因此，本发明的所有实施例都特别适合于在室内或信号电平降到-145dbm以下的地方使用。
虽然已就当前的优选实施例描述了本发明，但是，显然，不应把所述公开的内容解释对本发明的限制。本专业的技术人员在阅读了上述内容之后，各种改动和变更无疑是显而易见的。所以，所附权利要求应理解为覆盖了在本发明的真正精神和范围内的所有改动和变更。

Claims (10)

1.一种卫星定位系统(SPS)接收器，它包括：
导航卫星信号接收器，用于从轨道SPS卫星直接接收传输并用于测量它们的伪距；
实时时钟(RTC)，精确到真实SPS系统时间的三秒之内；
通信接收器，用于接收由远程服务器获得的SPS系统NAV数据的再广播；以及
连接到所述RTC和所述通信接收器的导航(NAV)数据合成器，用于提供NAV数据的重构、否则不可能直接通过导航卫星信号接收器接收所述NAV数据，并且所述NAV数据合成器转换来自所述RTC的时间信息和来自所述SPS系统NAV数据再广播的年历和星历表数据，以便建成完全的12.5分钟长的合成NAV数据消息；
其中，可以从所述伪距和所述合成NAV数据消息导出位置解答。
2.如权利要求1所述的SPS接收器，其特征在于：
所述通信接收器包括蜂窝电话并且无线连接到所述远程服务器。
3.如权利要求1所述的SPS接收器，其特征在于：
所述通信接收器包括网络客户并且通过因特网登录到所述远程服务器。
4.一种在信号环境太弱不能直接从轨道SPS卫星接收NAV数据传输的情况下运行SPS接收器的方法，所述方法包括以下步骤：
维持本地的独立时间基准；
测量直接到SPS卫星星座的伪距；
从基准站在次级通信信道上接收星历表和年历帮助信息；
从所述本地的独立时间基准和所述星历表和年历帮助信息的组合重构NAV数据消息；以及
从所述NAV数据消息和所述伪距计算位置解答。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
维持步骤使得所述本地的独立时间基准提供优于三秒的真实SPS系统时间的精确度。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述测量步骤包括利用相关增益来读出衰减后的SPS卫星传输。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述接收星历表和年历帮助信息步骤使得所述辅助通信信道是带有客户和服务器的计算机网络。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述接收星历表和年历帮助信息步骤使得所述辅助通信信道是无线蜂窝电话系统。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
从所述基准站接收星历表和年历帮助信息的所述步骤使得无Z-计数信息从所述基准站转发。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
从所述基准站接收星历表和年历帮助信息的所述步骤使得无定时信息从所述基准站转发。
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