TWI391697B - Method and apparatus for obtaining navigation bit stream from GPS satellite signal, GPS receiver and positioning method thereof - Google Patents

Description

用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法

本發明係有關全球定位系統(GPS)技術領域，更具體而言，係有關用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法。

隨著汽車及電子電腦技術的發展和人們對生活需求的提高，全球衛星定位系統(GPS)得到了廣泛的應用，越來越多的人開始使用GPS接收機和導航系統。GPS接收機在車載導航和移動消費電子等領域得到迅速發展。隨著應用領域的不斷擴大和使用群體的迅速增加，使用者對GPS接收機的功能和性能提出了越來越多的要求。

如圖1所示，傳統的GPS接收機100主要包括天線110、前置放大器120、射頻/中頻(RF/IF)變換器130、類比/數位(A/D)變換器140、數位基帶處理器150、導航處理器160以及控制顯示單元170。GPS衛星發射的射頻(RF)信號通過天線110接收下來，並通過一個無源的帶通濾波器進行濾波，以減小帶外射頻干擾。接著前置放大器120對濾波後的RF信號進行預放大，射頻/中頻(RF/IF)變換器130將射頻向下變頻為中頻(IF)。再用類比/數位(A/D)變換器140對IF信號進行採樣以及數位化，得到數位中頻信號(也稱為數位基帶信號)並將數位中頻信號送入數位基帶處理器150進行處理。數位基帶處理器150主要完成以下功能：捕獲衛星，跟蹤衛星，對導航資料信號實行解調，以解調出導航資料；進行偽距測量，載波相位測量及多普勒頻移測量。導航處理器160根據提取的偽距和頻率測量資訊進行定位結算，給出用戶的位置、速度和時間(PVT)資訊。最後，通過控制顯示單元170在螢幕上顯示出用戶的PVT資訊。GPS接收機定位的基本條件是跟蹤至少4顆GPS衛星的信號，收集到4顆衛星的星曆資訊。

首次定位時間(Time to First Fix，TTFF)是指GPS接收機從開機到首次定位所需要的時間，是衡量GPS接收機性能的一項重要指標。使用者通常希望在GPS接收機開機後很短的時間內便可以定位。

根據不同的已知先驗資訊，GPS接收機的啟動模式可分為冷啟動(cold start)、溫啟動(warm start)和熱啟動(hot start)三種，其中冷啟動是指GPS接收機在無任何已知資訊(包括衛星星曆、曆書、歷史接收機位置和時鐘資訊)的條件下啟動，溫啟動是指在具有有效衛星曆書、粗略接收機位置和時鐘資訊的條件下開機啟動，而熱啟動則是指在有衛星星曆、粗略接收機位置和精確GPS時鐘資訊的條件下開機啟動。

圖2示意性地示出現有GPS接收機在上述三種啟動模式下的定位流程200。如圖2所示，GPS接收機在冷啟動模式210-1下從開機到定位一般需要經歷如下幾個過程：衛星信號的捕獲(acquisition) 211-1、衛星信號的跟蹤(track) 212-1、導航資料位元同步(navigation data bit synchronization) 213-1、導航資料子幀同步(navigation data sub-frame synchronization)(其也可稱為導航資料幀同步) 214-1、衛星星曆收集(satellite ephemeris gathering) 215-1和定位輸出(fixing and outputting) 216-1。目前，市場上普通GPS接收機的冷啟動TTFF均在40s(秒)左右。

而在溫啟動模式210-2和熱啟動模式210-3下，由於存在一定的先驗資訊，GPS接收機的首次定位流程略有不同。

GPS接收機在溫啟動模式210-2下從開機到定位一般需要經歷如下幾個過程：衛星信號的捕獲211-2、衛星信號的跟蹤212-2、導航資料位元同步213-2、導航資料子幀同步(其也可稱為導航資料幀同步) 214-2、衛星星曆收集215-2和定位輸出216-2。

GPS接收機在熱啟動模式210-2下從開機到定位一般需要經歷如下幾個過程：衛星信號的捕獲211-3、衛星信號的跟蹤212-3和定位輸出216-3。

如圖2所示，除了不需要捕獲全部衛星的信號，GPS接收機在溫啟動模式下從開機到定位同樣也要經歷衛星信號的跟蹤、導航資料位元同步、導航資料子幀同步、衛星星曆收集和定位輸出等過程。GPS接收機在熱啟動模式下從啟動到定位時，由於存在衛星星曆資訊，可以省掉位元同步過程，並且由於存在精確的GPS時鐘資訊，可以省掉幀同步及星曆收集過程。在傳統GPS接收機在冷啟動和/或溫啟動模式下進行定位的過程中，由於衛星信號的捕獲、跟蹤、同步和解調均需串列完成，使得GPS接收機在開機後無法迅速地定位以獲得當前位置資訊。因此，如何提高GPS定位的TTFF性能仍然是目前亟待解決的問題之一。

鑒於以上情況，本發明提出了一種用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法。根據本發明實施例的方法和裝置能夠改善在冷啟動和/或溫啟動模式下進行GPS定位時的TTFF性能。

為實現上述目的，根據本發明提供了一種用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法，包括：對該GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步，以確定該導航資料的位元邊界；在對該GPS衛星信號中的該導航資料進行該位元同步期間，存儲該位元同步過程中的該GPS衛星信號中的偽隨機碼的資訊；在該位元同步完成之後，根據所確定的該導航資料的該位元邊界，將該位元同步期間所存儲的該偽隨機碼的該資訊解調為第一部分導航位元；在該位元同步完成之後，根據所確定的該導航資料的該位元邊界，將所確定的該位元邊界之後的該導航資料解調為第二部分導航位元；以及將該第一部分導航位元與該第二部分導航位元相連接，以形成該導航位元流。

根據本發明的一個實施例，在位元同步期間所存儲的偽隨機碼的資訊為偽隨機碼的積分值。

根據本發明的一個實施例，將所存儲的偽隨機碼的資訊解調為第一部分導航位元進一步包括按以下方式逐個解調出第一部分導航位元中的每個導航位元：計算一個導航位元的偽隨機碼的積分值在所存儲的偽隨機碼的積分值中的起始位置作為該導航位元的第一位置；計算該導航位元的偽隨機碼的積分值在所存儲的偽隨機碼的積分值中的結束位置作為該導航位元的第二位置；以及對從該導航位元的第一位置至該導航位元的第二位置的所有偽隨機碼的積分值進行解調，以得到該導航位元。

較佳地，通過軟體來實現將位元同步期間所存儲的偽隨機碼的資訊解調為第一部分導航位元。

本發明還提供了一種GPS接收機的定位方法，包括：捕獲和跟蹤GPS衛星信號；對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步，以確定導航資料的位元邊界；在對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步期間，存儲位元同步過程中的GPS衛星信號中的偽隨機碼的資訊；在位元同步完成之後，根據所確定的導航資料的位元邊界，將位元同步期間所存儲的偽隨機碼的資訊解調為第一部分導航位元；在位元同步完成之後，根據所確定的導航資料的位元邊界，將所確定的位元邊界之後的導航資料解調為第二部分導航位元；以及將第一部分導航位元與第二部分導航位元相連接，以形成連續的導航位元流；對導航位元流進行導航資料子幀同步；從子幀同步後的導航資料中收集星曆和曆書；以及根據所收集到的星曆和曆書來獲得GPS接收機的定位資訊。

本發明還提供了一種用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置，包括數位基帶處理器，用於對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步以確定導航資料的位元邊界。其中，該數位基帶處理器進一步包括：偽隨機碼資訊存儲單元，用於在該數位基帶處理器對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步期間存儲位元同步過程中的GPS衛星信號中的偽隨機碼的資訊。該裝置還包括補充導航資料解調單元，用於在位元同步完成之後，根據數位基帶處理器所確定的導航資料的位元邊界，將該偽隨機碼資訊存儲單元在位元同步期間所存儲的偽隨機碼的資訊解調為第一部分導航位元。該數位基帶處理器還用於在位元同步完成之後，根據所確定的導航資料的位元邊界，將所確定的位元邊界之後的導航資料解調為第二部分導航位元。該裝置還包括導航位元流形成單元，用於將該第一部分導航位元與第二部分導航位元相連接，以形成連續的導航位元流。

本發明還提供了一種GPS接收機，包括根據本發明的實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置。其中，該基帶處理器還用於捕獲和跟蹤GPS衛星信號，以及對該裝置所獲取的導航位元流進行導航資料子幀同步；並且該GPS接收機還包括導航處理器，該導航處理器用於從子幀同步後的導航資料中收集星曆和曆書，以及根據所收集到的星曆和曆書來獲得GPS接收機的定位資訊。

根據本發明的一個實施例，GPS接收機中的補充導航資料解調單元和導航位元流形成單元通過軟體來實現，並設置在導航處理器中。

根據本發明的方法和裝置通過將導航資料位元同步期間的偽隨機碼的資訊，比如積分值，存儲下來並在導航資料位元同步之後解調該段導航資料，有效的提高了導航資料位元同步期間的偽隨機碼資訊的利用率，增加可用的導航資料，縮短子幀同步和星曆收集的時間，從而提高了GPS定位時的TTFF性能。

另外，本發明還提供了相應的電腦可讀存儲介質和電腦程式產品。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

為了更便於理解本發明的原理和說明本發明的實施例，以下首先參考附圖，特別是圖3至5來描述根據本發明實施例的一般原理。

GPS衛星信號是GPS衛星向地面發送的用於導航定位的無線信號，它包含：載波、偽隨機碼和導航資料碼。GPS使用L波段的兩種載頻，L1載波為1575.42MHz，L2載波為1227.6MHz，GPS衛星的偽隨機碼和導航資料碼通常採用BPSK調製方式調製到載波上，經衛星發射天線發射出去。

偽隨機雜訊(Pseudo Random Noise,PRN)碼也被稱為偽隨機碼或偽雜訊碼，並具有如下特點：1.具有高斯白雜訊的性質，即良好的自相關特性；2.具有一定的週期和編碼規則，可人為再現，並且可人為控制。這一點對於信號的擴頻解調是必需的。

使用偽隨機雜訊碼的優點在於可實現擴頻通信，從而實現保密通信和基於碼分多址(CDMA)的通信。一般資料碼信號的頻帶很窄，而PRN碼信號的頻帶很寬，因此，通過將資料碼調製到PRN碼上，使資料碼信號的頻帶展寬，這個過程即為公知的擴頻。

在GPS系統裡，每一顆衛星使用一個不同的PRN碼對資料進行公知的直序擴頻。在民用GPS領域裏，這個偽隨機碼被稱為粗捕獲(Coarse Acquisition，C/A)碼。GPS接收機通過識別C/A碼而區別出來自不同衛星的信號。C/A碼由1023個碼片組成，每1毫秒(ms)序列迴圈一次。

導航資料碼是用戶用來定位和導航的資料基礎。導航資料碼主要包括：衛星星曆、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態資訊等。這些資訊以二進位碼的形式按規定格式向外播送。導航資料中的每一個位元被稱為導航位元，它的碼速率為50位元/秒(bit/s)，寬度為20ms。也就是說，每一個導航位元週期包含20個C/A碼的週期。這個關係非常重要，是導航資料位元同步和解調導航位元的基礎。

下面以GPS接收機在冷啟動模式下從開機到定位的過程為例簡要描述和分析整個GPS定位過程的各個階段的耗時情況。

GPS信號捕獲和跟蹤

GPS衛星信號的捕獲和跟蹤的目的在於獲知此衛星信號的兩個性質：頻率和碼相位。

從GPS規範上可以得知，L1載波的頻率為1575.42MHz，L2載波的頻率為1227.60MHz。但是，從特定衛星得到的頻率並不一定是如規範所描述的那樣。由於存在有相對運動的關係，在頻率上會產生多普勒效應。假設GPS接收機靜止接收GPS信號，由於衛星的運動，多普勒效應所影響的範圍大約為5kHz，如果GPS接收機也處於高速移動的狀態下，多普勒效應所影響的頻率可能會到達10kHz。

碼相位代表C/A碼週期信號的邊界位置。目前，GPS信號捕獲的方法都是根據GPS信號C/A碼的特質來做處理，衛星信號是由32個不同的偽隨機雜訊序列區別，而上述特質就是指這些偽隨機雜訊序列的彼此之間幾乎沒有互相關(Cross Correlation)，並且只有自己本身和自己在沒有延遲的情況下，自相關函數(Auto-correlation Function)才會有極值。

通常運用接收機本身的偽隨機雜訊序列產生器產生衛星的偽隨機雜訊序列，再通過改變碼相位和振盪器(Oscillator)所產生的載波頻率，來與接收到的信號做相關運算，以識別所接收的衛星信號中的偽隨機雜訊序列。本領域所屬技術人員將瞭解很多常用的相關演算法，因此這裡不做深入討論。

在相同的啟動模式下，GPS衛星信號的捕獲和跟蹤的快慢取決於基帶相關運算資源的多少，即GPS接收機的通道資源數量。在 不同的啟動模式下，冷啟動的衛星捕獲跟蹤時間消耗多於溫啟動的捕獲跟蹤時間消耗，溫啟動的捕獲跟蹤時間消耗多於熱啟動的衛星捕獲跟蹤時間消耗。

GPS信號導航資料位元同步

當衛星信號捕獲完成時，僅能獲取到該衛星信號的C/A碼的邊界資訊。因此，要進行導航資料的解調，必須在捕獲所得的C/A碼的1ms邊界的基礎上完成導航資料的邊界同步，即導航資料位元同步。

首先簡單介紹一下GPS信號的導航資料結構。衛星下發的GPS L1信號由三部分共同調製而成：頻率為1.57542GHz的載波信號、1.023MHz的C/A碼信號和50Hz的導航資料資訊。圖3所示為GPS導航資料的結構示意圖300。如圖3所示，在L1上所承載的導航資料以幀為單位，每個幀為1500位元，一幀又可分為五個子幀。導航資料的內容包括衛星的周內時間(Time of Week，TOW)、廣播星曆(Broadcast Ephemeris)、電離層參數及曆書(Almanac)等。其中，廣播星曆用來計算各衛星本身的精確軌道位置，並且被包含在導航資料的1/2/3子幀中，正常情況下，它每2小時更新一次，每次更新的有效期約四小時；曆書為所有衛星在軌道上的概略位置及其狀況等，正常情況下，它每週更新一次，有效時間可達數週。

常用的導航資料位元同步的方法包括以下步驟：在捕獲所得的1ms C/A碼邊界的基礎上進行積分，得到1ms C/A碼資料的積分值；在同一個導航位元週期裏，由於C/A碼調製的是同一個導航位元，因此，在一個導航位元週期裏的20個1ms C/A碼的積分值 應該是大致相等且同號。如果相鄰兩個導航位元發生了0、1翻轉，則這個翻轉會通過1ms積分值呈現出來。積分值發生明顯變化的時刻就是20ms的導航位元的邊界；可以用多個20ms的積分累加值來找到第一個20ms的導航位元的邊界，再對這個導航位元邊界進行多次的驗證，以提高位元同步的準確率。

導航資料位元同步的耗時與信號強度以及位元同步所用的資料存在一定的關係。一般來說，信號越強、位元同步所用的資料段中0、1的分佈越均勻，位元同步的成功率越高、耗時較少；反之，則位元同步成功率降低，耗時增長。在保證足夠的檢測概率的基礎上，導航資料位元同步一般需要花費4~6秒的時間。

GPS導航資料解調

在確定導航位元邊界之後，就可以解調導航位元。解調出導航位元的方法大致可以分為兩大類，幅度解調和符號解調。這兩類方法本質都是利用C/A碼的1ms積分值資訊。例如，可以通過累加20個1ms積分值，判斷累加值的符號；也可以判斷20個1ms積分值的符號等等。具體的導航資料解調方法對於本領域所屬技術人員來說應當是習知的，而且也不是本發明所關注的問題，因此這裡就不做詳細描述了。

GPS導航資料子幀同步和星曆收集

在導航位元的幀傳輸協議中，約定了幀頭序列(preamble)和幀校驗機制。正確收集星曆的前提是要查找到正確的幀頭序列，這一過程在本文中稱為導航資料子幀同步。GPS導航資料的傳輸結構決定了子幀同步平均需要耗費3s的時間。

在完成子幀同步之後，根據導航資料的結構定義，在奇偶校驗正確的前提下，進行衛星星曆、曆書和電離層參數的提取收集。在滿足解調靈敏度的條件下，收集到一份完整的星曆平均需要耗費24秒的時間。

GPS定位輸出

在至少鎖定4顆GPS衛星信號和收集齊了相關衛星的星曆的條件下，通過軟體根據基帶測量的頻率和偽距資訊，計算出GPS接收機的位置、速度和時間資訊，並將相關計算結果在濾波處理之後輸出到用戶顯示單元。關於GPS的位置、速度和時間計算、以及對計算結果的濾波處理非本發明所關注的焦點，並且本領域所屬技術人員已知進行這些計算和處理的多種方法，因此在這裡就不進行詳細描述了。

從以上的描述和分析可見，GPS接收機從開機到定位需要經歷多個階段，每個階段的耗時均會影響GPS接收機的TTFF性能。其中，子幀同步和星曆收集的時間是由GPS導航資料結構所決定的，而信號捕獲則是由系統的相關器資源所決定。本發明主要著重從導航資料位元同步、導航資料解調的角度分析提高TTFF的性能的方法。

從上文可知，由於衛星信號的捕獲過程僅能提供C/A碼(1ms)的邊界資訊，而導航資料的週期為20ms，因此在導航資料位元同步期間無法進行導航資料的解調運算。在如圖4所示的傳統的冷啟動定位流程400中，包括有捕獲所有衛星步驟410、跟蹤捕獲成功的衛星步驟411、位元同步步驟412與位元解調步驟416。在一實施例中，位元解調步驟416包括幀同步步驟413、星曆收集步驟414步驟與定位和輸出步驟415。導航資料位元同步412和導航資 料解調416這兩個階段是串列進行的。也就是說，用於導航資料位元同步的資料無法用於導航資料的解調。基於這一點，本發明提出了一種用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法，其能夠在空間上並行處理導航資料位元同步和導航資料解調，從而提高了GPS接收機的TTFF性能。

在根據本發明的方案中，將導航資料位元同步期間的C/A碼資訊(例如積分值資訊或C/A碼序列)存儲下來作為補充的導航資料，並且在導航資料位元同步之後解調該段導航資料。這樣，可以有效地提高位元同步期間的C/A碼積分資訊的利用率，增加了GPS定位過程中可用的導航資料量，從而縮短了子幀同步和星曆收集的時間，提高了GPS接收機的TTFF性能。圖5所示為根據本發明實施例的冷啟動模式下的GPS定位方法的流程500，包括捕獲所有衛星步驟510、跟蹤捕獲成功的衛星步驟511、位元同步步驟512與位元解調步驟516。在一實施例中，位元解調步驟516包括幀同步步驟513、星曆收集步驟514與定位和輸出步驟515。在一實施例中，補充位元解調步驟517可為位元解調步驟516之一輸入。

根據本發明實施例的溫啟動模式下的GPS定位方法的原理與此相同。在一實施例中，GPS接收機的定位方法，包括：捕獲和跟蹤一GPS衛星信號；利用從一GPS衛星信號中獲取一導航位元流的方法來從捕獲到的該GPS衛星信號中獲取一導航位元流；對所獲取的該導航位元流進行一導航資料子幀同步；從該子幀同步後的該導航資料中收集一星曆和一曆書；以及根據所收集到的該星曆和該曆書來獲得該GPS接收機的一定位資訊。

以下將結合圖式、特別是圖6至圖10來描述根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法。在以下的描述中，為了清楚起見，省略了對與本發明目的無關或關係不大的、且本領域所屬技術人員已知的部件和處理的表示和描述。

圖6所示為根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法的示意性流程圖600，包括有：導航位元同步以確定位元邊界步驟S610、將位元邊界之後的導航資料解調成導航位元步驟S620、存儲偽隨機碼(C/A碼)的積分值步驟S630、將偽隨機碼的積分值解調成導航位元步驟S640、與連接成連續的導航位元流步驟S650等。而圖7所示為根據本發明實施例的GPS接收機的定位方法的示意性流程圖700，且在圖7所示的GPS接收機定位方法利用了圖6中的方法來獲取GPS衛星信號中的導航位元流。為了方便本領域所屬技術人員更好地理解根據本發明實施例的方法，這裡首先參照圖7來描述根據本發明實施例的GPS接收機定位方法。

如圖7所示，首先，在步驟S710中，捕獲和跟蹤GPS衛星信號。通常是在某個頻率區間上對特定衛星信號進行捕獲。捕獲完成後，基於捕獲所確定的頻率和C/A碼相位開始對該衛星信號進行跟蹤。所述捕獲和跟蹤可以使用現有技術中已知的各種技術手段來實現，這裡不再贅述。

接著，在步驟S720中，在所確定的C/A碼相位的基礎上，對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步，以確定導航資料的位元邊界。在此也可以使用現有技術中已知的各種導航資料位元同步方法來實現，因此省略了其具體描述。

在進行導航資料位元同步的同時，在步驟S730中，存儲位元同步過程中的每個1ms的C/A碼的積分值。在此，假設用[int1,int1,…,intn]表示位元同步期間的各個1ms的C/A碼積分值。儘管在該實施例中存儲的是C/A碼的積分值，但是本領域所屬技術人員應當理解，在其他實施例中，也可以存儲C/A碼的其他資訊。例如，根據本發明的一個實施例，可以在步驟S730中存儲位元同步過程中的C/A碼序列。C/A碼的積分值可以通過C/A碼序列計算而得到。

在導航資料位元同步完成以後，即，在已經獲取到導航資料的位元邊界時，在步驟S740，根據導航資料的位元邊界將位元同步期間存儲的各個1ms的C/A碼積分值解調成導航位元。

另外，在導航資料位元同步完成以後，在步驟S750中，根據導航資料的位元邊界，將所確定的位元邊界之後的導航資料解調成導航位元。

在此，步驟S740和S750的處理可以彼此串列執行(也可以先執行步驟S750的處理然後再執行步驟S740的處理)，但是也可以彼此地並行執行。

接著，在步驟S760中，將在步驟S740和S750中解調出的導航位元連接成連續的導航位元流。相對於現有技術而言，在步驟S740中進行的解調提供了附加的可用導航位元，因此在本文中也稱為補充導航資料解調。

根據本發明的一個實施例，在步驟S740中，可以按以下過程逐個解調出每個導航位元：

1、假設導航資料位元同步的總耗時為n毫秒(ms)，則位元同步期間的導航位元數，其中是用於對計算結果向下取整數的運算符；

2、根據位元同步所得的位元邊界可知，從intn開始，往前每間隔20個1ms積分值就代表一個完整的導航位元資訊；

3、假設StartNavBit(i)為第i個導航位元的1ms C/A碼積分在位元同步期間所存儲的C/A碼積分值當中的起始位置，則：

StartNavBit(i)=n-bitcnt*20+(i-1)*20+1　(1)，

其中i為正整數且。

4、假設EndNavBit(i)為第i個導航位元的1ms C/A碼積分在位元同步期間所存儲的C/A碼積分值當中的結束位置，則：

EndNavBit(i)=StartNavBit(i)+19　(2)

5、將StartNavBit(i)至EndNavBit(i)的積分值按照如前“GPS導航資料解調”一節中所述的常規解調方法進行解調，即可得到位元同步期間第i個導航位元。

然後，在步驟S770中，對在步驟S760獲取到的導航位元流進行導航資料子幀同步。在步驟S780中，從子幀同步後的導航資料中收集星曆和曆書。在步驟S790中，根據所收集到的星曆和曆書來獲得GPS接收機的定位資訊，從而完成GPS定位。當然，還可以將獲得的GPS接收機的定位資訊以各種已知的方式顯示給用戶。步驟S770至S790的處理可以使用現有GPS接收機定位方法中已知的相應處理過程，因此為了說明書的簡潔起見，這裡不再對其進行詳細描述。

在圖6所示為根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法600。步驟S610、S620、S630、S640、S650的處理與圖7中的GPS接收機定位方法的步驟S720、S730、S740、S750、S760的處理相同。也就是說，在圖7中的GPS接收機定位方法中可以利用圖6中的方法來獲取導航位元流。為簡潔起見，這裡不再對圖6中的各個步驟進行詳細說明。

圖8所示為根據本發明實施例的形成連續的導航位元流的示意圖800。從圖中可以看到，在導航資料位元同步期間保存的C//A碼積分值通過補充導航資料解調而形成一部分導航位元。另外，在位元同步結束後通過常規的導航資料解調得到另一部分導航位元。將這兩部分導航位元連接在一起，便形成了一段連續的導航位元流。

圖9所示為根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置900的結構示意圖。如圖9所示，用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置900包括數位基帶處理器910、補充導航資料解調單元921以及導航位元流形成單元922。數位基帶處理器910可用於對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步以確定導航資料的位元邊界。數位基帶處理器910中進一步包括偽隨機碼資訊存儲單元911，其可用於在所述數位基帶處理器對GPS衛星信號中的導航資料進行位元同步期間存儲位元同步過程中的GPS衛星信號中的C/A碼的資訊(比如積分值或者C/A碼序列)。補充導航資料解調單元921可用於在位元同步完成之後，根據數位基帶處理器所確定的導航資料的位元邊界，將偽隨機碼資訊存儲單元911在位元同步期間所存儲的C/A碼的資訊解調為一部分導航位元。所述數位基帶處理器910還用於在位元同步完成之後，根據所確定的導航資料的位元邊界，將所確定的位元邊界之後的導航資料解調為另一部分導航位元。導航位元流形成單元922可用於將這兩部分導航位元相連接，以形成連續的導航位元流。

根據本發明的一個實施例，補充導航資料解調單元921可按照以上所述的圖7中的步驟S740中所採用的方法，逐個解調出每個導航位元。為簡潔起見，這裡不再對此進行詳細描述。

根據本發明的一個實施例，可以通過軟體來實現補充導航資料解調單元921和導航位元流形成單元922。當然，本領域所屬技術人員應當理解，也可以通過硬體或實體來實現這些單元。然而，使用硬體或實體來實現這些單元可能需要較高的成本。

圖10示出了根據本發明實施例的GPS接收機1000的結構示意圖。如圖10所示，GPS接收機1000中包括了圖9中的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置900，而GPS接收機1000的其餘組成部件與現有GPS接收機中的相同。包括天線1010、前置放大器1020、射頻/中頻(RF/IF)變換器1030、類比/數位(A/D)變換器1040、數位基帶處理器1050。因此，為簡潔起見，這裡不再對GPS接收機1000的各個組成部件進行詳細描述。

本領域所屬技術人員可以理解，GPS接收機1000中的數位基帶處理器1050還可用於捕獲和跟蹤GPS衛星信號，以及對導航位元流形成單元1062所形成的導航位元流進行導航資料子幀同步。在一實施例中，數位基帶處理器1050還偽隨機碼資訊存儲單元1051。

另外，GPS接收機1000還包括導航處理器1060，其可用於從子幀同步後的導航資料中收集星曆和曆書，以及根據所收集到的星曆和曆書來獲得GPS接收機的定位資訊。

根據本發明的一個實施例，補充導航資料解調單元1061和導航位元流形成單元1062可以通過軟體來實現，並且可以設置在導航處理器1060中，如圖10所示。另外，如上所述，補充導航資料解調單元1061和導航位元流形成單元1062也可以通過硬體或實體來實現，並且可以設置在例如數位基帶處理器1050中(未示出)。

通過以上的描述不難看出，在根據本發明的實施例中，通過將導航資料位元同步期間的C/A碼資訊(例如積分值資訊)存儲下來作為附加的導航資料，並且在導航資料位元同步之後解調該段導航資料，可以有效地提高位元同步期間的C/A碼積分資訊的 利用率，增加了可用的導航資料量，從而有助於縮短子幀同步和星曆收集的時間，提高了GPS接收機的TTFF性能。

以上以冷啟動模式為例對根據本發明實施例的上述用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法和裝置、GPS接收機及其定位方法進行了說明。然而，本領域所屬技術人員應當明白，本發明的原理可同樣適用於溫啟動模式。

測試結果

為了更明確說明根據本發明實施例的上述GPS接收機定位方法和/或GPS接收機的性能，在同樣的條件下，針對使用根據本發明的GPS接收機定位方法和/或GPS接收機和使用傳統的GPS接收機定位方法和/或GPS接收機這兩種情況，分別測試了GPS接收機在冷啟動模式下的TTFF性能指標。

為了測試的客觀性和對比性，整個測試過程設計如下：在忽略所有的備份資訊(衛星星曆，曆書，時鐘資訊，歷史接收機位置等)的前提下開機，直至GPS接收機定位，記錄本次的TTFF耗時，在定位之後的0~30秒內，隨機開始下次測試。

測試結果如表1所示。從表1中可以看出，在採用根據本發明實施例的GPS方法和/或GPS接收機時的冷啟動TTFF比採用傳統的GPS接收機定位方法和/或GPS接收機時的冷啟動TTFF縮短了3.6秒，明顯地提升了GPS接收機的TTFF性能。

以上結合具體實施例描述了本發明的基本原理，但是，需要指出的是，對本領域所屬技術人員而言，能夠理解本發明的方法和裝置的全部或者任何步驟或者部件，可以在任何計算設備(包括處理器、存儲介質等)或者計算設備的網路中，以硬體、實體、軟體或者它們的組合加以實現，這是本領域所屬技術人員在閱讀了本發明的說明的情況下，運用他們的基本撰寫程式技能就能實現的，因此在這裡省略了詳細說明。

因此，基於上述理解，本發明的目的還可以通過在任何資訊處理設備上運行一個程式或者一組程式來實現。所述資訊處理設備可以是習知的通用設備。因此，本發明的目的也可以僅僅通過提供包含實現所述方法或者設備的程式碼的程式產品來實現。也就是說，這樣的程式產品也構成本發明，並且存儲有這樣的程式產品的存儲介質也構成本發明。顯然，所述存儲介質可以是任何習知的存儲介質或者將來所開發出來的任何存儲介質，因此也沒有必要在此對各種存儲介質一一列舉。

還需要指出的是，在本發明的裝置和方法中，顯然，各部件或各步驟是可以分解和/或重新組合的。這些分解和/或重新組合應視為本發明的等效方案。並且，執行上述系列處理的步驟可以自然地按照說明的順序按時間順序執行，但是並不需要一定按照時間順序執行。某些步驟可以並行或彼此獨立地執行。

雖然已經詳細描述了本發明的具體實施方式，但是本領域所屬技術人員應當知道，本發明的保護範圍不限於這裡所公開的具體細節，而可以具有在本發明的精神實質範圍內的各種變化和等效方案。

100．．．傳統的GPS接收機

110．．．天線

120．．．前置放大器

130．．．射頻/中頻(RF/IF)變換器

140．．．類比/數位(A/D)變換器

150．．．數位基帶處理器

160．．．導航處理器

170．．．控制顯示單元

200．．．定位流程

210-1．．．冷啟動

210-2．．．溫啟動

210-3．．．熱啟動

211-1~211-3．．．衛星信號的捕獲

212-1~212-3．．．衛星信號的跟蹤

213-1~213-3．．．導航資料位元同步

214-1~214-2．．．導航資料子幀同步\導航資料幀同步

215-1~215-2．．．衛星星曆收集

216-1~216-3．．．定位輸出

300．．．GPS導航資料的結構示意圖

400．．．定位流程

410．．．有捕獲所有衛星步驟

411．．．跟蹤捕獲成功的衛星步驟

412．．．位元同步步驟

413．．．幀同步步驟

414．．．星曆收集步驟

415．．．定位和輸出步驟

416．．．位元解調步驟

500．．．定位流程

510．．．捕獲所有衛星步驟

511．．．跟蹤捕獲成功的衛星步驟

512．．．元同步步驟

513．．．幀同步步驟

514．．．星曆收集步驟

515．．．定位和輸出步驟

516．．．位元解調步驟

517．．．補充位元解調步驟

600．．．流程圖

S610．．．導航位元同步以確定位元邊界步驟

S620．．．將位元邊界之後的導航資料解調成導航位元步驟

S630．．．存儲偽隨機碼(C/A碼)的積分值步驟

S640．．．將偽隨機碼的積分值解調成導航位元步驟

S650．．．連接成連續的導航位元流步驟

700．．．流程圖

S710、S7210、S730、740、S750、S760、S770、S780、S790．．．步驟

800‧‧‧導航位元流的示意圖

900‧‧‧用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置

910‧‧‧數位基帶處理器

911‧‧‧偽隨機碼資訊存儲單元

921‧‧‧補充導航資料解調單元

922‧‧‧以及導航位元流形成單元

1000‧‧‧根據本發明實施例的GPS接收機

1010‧‧‧天線

1020‧‧‧前置放大器

1030‧‧‧射頻/中頻(RF/IF)變換器

1040‧‧‧類比/數位(A/D)變換器

1050‧‧‧數位基帶處理器

1051‧‧‧偽隨機碼資訊存儲單元

1060‧‧‧導航處理器

1061‧‧‧補充導航資料解調單元

1062‧‧‧導航位元流形成單元

1070‧‧‧控制顯示單元

本發明上述和其他目的、特徵和優點將通過參考下文中結合圖式所給出的描述而得到更好的理解。在所有圖式中，相同或相似的附圖標記表示相同或者相似的部件。

圖1根據現有技術的GPS接收機的結構示意圖；

圖2根據現有技術的在GPS接收機的三種啟動模式下的定位流程圖；

圖3GPS導航資料的結構示意圖；

圖4根據現有技術的GPS接收機在冷啟動模式下的定位方法的原理示意圖；

圖5根據本發明實施例的GPS接收機在冷啟動模式下的定位方法的原理示意圖；

圖6根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法的流程圖；

圖7根據本發明實施例的GPS接收機的定位方法的流程圖；

圖8根據本發明實施例的形成連續的導航位元流的示意圖；

圖9根據本發明實施例的用於從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置的結構示意圖；以及

圖10根據本發明實施例的GPS接收機的結構示意圖。

600．．．流程圖

S610．．．導航位元同步以確定位元邊界步驟

S620．．．將位元邊界之後的導航資料解調成導航位元步驟

S630．．．存儲偽隨機碼(C/A碼)的積分值步驟

S640．．．將偽隨機碼的積分值解調成導航位元步驟

S650．．．連接成連續的導航位元流步驟

Claims (14)

1. 一種從GPS衛星信號中獲取導航位元流的方法，包括：對一GPS衛星信號中的一導航資料進行一位元同步，以確定該導航資料的一位元邊界；在進行該位元同步期間，儲存該位元同步過程中的該GPS衛星信號中的一偽隨機碼的一資訊；根據該位元邊界將該位元同步期間所儲存的該偽隨機碼的該資訊解調為一第一部分導航位元；計算一導航位元的一偽隨機碼的一積分值在所儲存的該偽隨機碼的該積分值中的一起始位置作為該導航位元的一第一位置；計算該導航位元的該偽隨機碼的該積分值在所儲存的該偽隨機碼的該積分值中的一結束位置作為該導航位元的一第二位置；對從該第一位置至該第二位置的多個偽隨機碼的積分值進行解調，以得到該導航位元；根據該位元邊界將該位元邊界之後的該導航資料解調為一第二部分導航位元；以及將該第一部分導航位元與該第二部分導航位元相連接，以形成一導航位元流。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在該位元同步期間所儲存的該偽隨機碼的該資訊為該偽隨機碼的 該積分值。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中，根據以下方程式計算該第一部分導航位元中的一第i個導航位元的一第一位置StartNavBit(i)：StartNavBit(i)=n-bitcnt*20+(i-1)*20+1，其中n為該位元同步總耗時的毫秒數，bitcnt為該位元同步期間的一導航位元數，且bitcnt=，其中是對一計算結果向下取整數的運算符，i為正整數且ibitcnt。
4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中，根據以下方程式計算該第一部分導航位元中的該第i個導航位元的該第二位置EndNavBit(i)：EndNavBit(i)=StartNavBit(i)+19。
5. 如申請專利範圍第1至4中任一項的方法，其中，透過一軟體實現將該位元同步期間所儲存的該偽隨機碼的該資訊解調為該第一部分導航位元。
6. 一種GPS接收機的定位方法，包括：捕獲和跟蹤一GPS衛星信號；利用申請專利範圍第1至5中任一項的方法從該GPS衛星信號中獲取一導航位元流；對該導航位元流進行一導航資料子幀同步；從該導航資料子幀同步後的該導航資料中收集一星曆和一曆書；以及 根據該星曆和該曆書獲得一GPS接收機的一定位資訊。
7. 一種從GPS衛星信號中獲取導航位元流的裝置，包括：一數位基帶處理器，對一GPS衛星信號中的一導航資料進行一位元同步以確定該導航資料的一位元邊界，其中，該數位基帶處理器包括：一偽隨機碼資訊儲存單元，在該位元同步期間儲存該GPS衛星信號中的一偽隨機碼的一資訊；一補充導航資料解調單元，在該位元同步完成之後，根據該位元邊界，將該偽隨機碼資訊儲存單元在該位元同步期間所儲存的該偽隨機碼的該資訊解調為一第一部分導航位元、計算一導航位元的一偽隨機碼的一積分值在所儲存的該偽隨機碼的該積分值中的一起始位置作為該導航位元的一第一位置、計算該導航位元的該偽隨機碼的該積分值在所儲存的該偽隨機碼的該積分值中的一結束位置作為該導航位元的一第二位置、對從該第一位置至該第二位置的多個偽隨機碼的積分值進行解調以得到該導航位元、且根據該位元邊界將該位元邊界之後的該導航資料解調為一第二部分導航位元；以及一導航位元流形成單元，將該第一部分導航位元與該第二部分導航位元相連接，以形成一導航位元 流。
8. 如申請專利範圍第7項的裝置，其中該偽隨機碼資訊儲存單元在該位元同步期間所儲存的該偽隨機碼的該資訊為該偽隨機碼的該積分值。
9. 如申請專利範圍第7項的裝置，其中，該補充導航資料解調單元根據以下方程式計算該第一部分導航位元中的一第i個導航位元的該第一位置StartNavBit(i)：StartNavBit(i)=n-bitcnt*20+(i-1)*20+1，其中n為該位元同步總耗時的毫秒數，bitcnt為該位元同步期間的一導航位元數，且bitcnt=，其中是對一計算結果向下取整數的運算符，i為正整數且ibitcnt。
10. 如申請專利範圍第9項的裝置，其中，該充導航資料解調單元根據以下方程式計算該第一部分導航位元中的該第i個導航位元的該第二位置EndNavBit(i)：EndNavBit(i)=StartNavBit(i)+19。
11. 如申請專利範圍第7至10中任一項的裝置，其中，透過一軟體實現該補充導航資料解調單元和該導航位元流形成單元。
12. 一種GPS接收機，包括：申請專利範圍第7至11中任一項的裝置，其中， 該數位基帶處理器捕獲和跟蹤一該GPS衛星信號，且對該導航位元流進行一導航資料子幀同步；以及一導航處理器，從該導航資料子幀同步後的該導航資料中收集一星曆和一曆書，且根據該星曆和該曆書獲得該GPS接收機的一定位資訊。
13. 如申請專利範圍第12項的GPS接收機，其中，透過一軟體實現該補充導航資料解調單元和一導航位元流形成單元。
14. 如申請專利範圍第12或13項的GPS接收機，其中，該補充導航資料解調單元和該導航位元流形成單元設置在該導航處理器中。