用于确定gps接收器位置的系统和方法
【专利摘要】本发明提供一种用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的系统和方法。标识具有到GPS接收器的未遮蔽通信路径的第一卫星和第二卫星。针对第一卫星和第二卫星中的每个卫星，接收的数据被用于确定卫星位置和用于所传输的卫星信号的码相位。计算第一卫星和第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，其中相对码相位是所确定的码相位之间的差值。基于第一卫星和第二卫星的卫星位置以及相对码相位确定GPS接收器的位置。
【专利说明】用于确定GPS接收器位置的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本公开要求2012年5月25日提交的美国临时专利申请N0.61/651，868的优先权，该临时申请通过引用整体并入本文。
【技术领域】
[0003]本文中描述的技术总体涉及卫星定位系统，并且更具体而言涉及在没有完全解析卫星时间的情况下确定全球定位系统接收器的位置。
【背景技术】
[0004]全球定位系统(GPS)是由美国国防部建立和操作的基于卫星的导航系统。在LI频带中的民用代码(C/Α代码)可由具有GPS接收器的任何人自由访问。GPS—般提供在所有天气状况中、在地球上或靠近地球的存在到4个或更多GPS卫星的无遮蔽通信路径的任何地方的位置和时间信息。为了提供位置和时间信息，GPS系统包括环绕地球的24个或更多个卫星。卫星放置于6个不同的轨道中，从而在任何时间，最少为6个并且最多为超过11个的卫星对在地球表面上的近乎任何GPS接收器可见。GPS接收器通过计算对接收器可见的多个GPS卫星同时传输的信号的到达的相对时间来确定其位置。卫星传输卫星定位数据以及关于卫星时钟时间的数据(即星历数据)作为它们的消息的一部分。搜索和获取GPS信号、读取用于多个GPS卫星的星历数据、以及计算接收器位置的过程可能是耗时的，这在冷启动状况下通常需要30秒或更多。
【发明内容】
[0005]本公开涉及用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的系统和方法。在用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的方法中，标识具有到GPS接收器的未遮蔽通信路径的第一卫星和第二卫星。针对第一卫星和第二卫星中的每个卫星，使用所接收的数据确定卫星位置和用于所传输的卫星信号的码相位。计算在第一卫星和第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，其中相对码相位是所确定的码相位之间的差值。基于第一卫星和第二卫星的卫星位置以及相对码相位确定GPS接收器的位置。
[0006]在另一不例中，用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的系统包括处理器和使用用于命令处理器执行如下步骤的指令进行编码的计算机可读存储器。步骤包括:标识具有到GPS接收器的未遮蔽通信路径的第一卫星和第二卫星。针对所标识的第一卫星和第二卫星中的每个卫星，使用所接收的数据确定卫星位置和用于所传输的卫星信号的码相位。计算在第一卫星和第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，其中相对码相位是所确定的码相位之间的差值。步骤还包括基于第一卫星和第二卫星的卫星位置以及相对码相位确定GPS接收器的位置。
【专利附图】
【附图说明】[0007]图1是描绘用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的示例系统的框图。
[0008]图2描绘了被求解以在没有执行GPS接收器中的位同步和帧同步的情况下确定GPS接收器的位置的等式。
[0009]图3是示出用于基于对来自GPS接收器可见的卫星的有效星历以及接收器时间和接收器位置的估计来确定GPS接收器的位置的示例方法的流程图。
[0010]图4是示出了用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0011]图1是描绘用于确定全球定位系统(GPS)接收器118的位置的示例系统100的框图。如图1所示，GPS卫星(即SV) 102、104、106和108分别广播被GPS接收器118接收的信号110、112、114和116。GPS接收器118定位在相对靠近地球表面的某处的位置。GPS接收器118可以是个人导航设备(即，PND，例如来自GarmiruTomTom等)的一部分，或者GPS接收器1118可以是蜂窝电话或具有GPS功能的任何其它设备的一部分。
[0012]信号110、112、114和116是GPS系统领域中的普通技术人员熟知的GPS信号。在接收器118可以确定其位置之前，一般需要至少来自4个SV的信号。在大多数系统中，为了确定GPS接收器118的位置，GPS接收器118进入预定的序列以从信号110、112、114和116的每个信号获取和提取所需的数据。该步骤可以包括获取步骤、追踪步骤、位同步步骤、帧同步步骤、以及导航步骤。具体而言，位同步步骤和帧同步步骤可以用于解析卫星102、104、106、108中的每个的卫星时间。完全解析的卫星时间包括在执行位同步和帧同步之后分别解析秒计数和位计数。完全解析的卫星时间还基于用于由卫星传输的信号的亚毫秒部分(码相位)。
[0013]然而在图1的系统100中，在没有执行GPS接收器118中的位同步和帧同步的情况下确定GPS接收器118的位置。因此，在系统100中，在没有完全解析的卫星时间的情况下，确定GPS接收器118的位置。如下面进一步说明的那样，基于接收器时间估计、用于对接收器118可见的多个卫星的有效星历、以及接收器位置的估计来确定GPS接收器118的位置。
[0014]具体而言，为了确定图1的系统100中的接收器118的位置，估计GPS接收器118的位置，其中估计的位置与估计的接收器时间相关联。标识对接收器118可见的第一卫星和第二卫星。针对第一卫星和第二卫星中的每个卫星，接收数据并且将其用于确定卫星位置和用于所传输的卫星信号的码相位。计算在第一卫星和第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，其中相对码相位是码相位之间的差值。通过计算确定用于第一卫星和第二卫星中的每个的卫星时间，其中计算是基于GPS接收器118的估计位置、估计的接收器时间以及第一和第二卫星的卫星位置。GPS接收器118的位置通过求解基于用于第一和第二卫星的所计算的卫星时间和相对码相位的等式来确定。
[0015]使用确定GPS接收器118的位置的该方法，在GPS接收器118的位同步和帧同步之前确定位置。该方法可以利用在第一和第二卫星之间的缓慢和稳定的码相位移动，其中缓慢和稳定的码相位移动是由于卫星信号与GPS时间系统同步的事实以及码多普勒(由SV和接收器相对移动导致)相对于载波多普勒相对小(例如小于5芯片/秒)的事实的结果。取决于卫星的多普勒差值，相对码相位可以等于近似每秒若干芯片。根据该方法，如果确定正确的追踪码相位，则可以在若干秒之前预测在两个所接收的卫星信号之间的相对码相位的改变或递增。备选地，可以基于两个时间点处的相对码相位的改变或递增来解析秒级时间改变。
[0016]图2描绘了等式200，其被求解以在GPS接收器中没有执行位同步和帧同步的情形下确定GPS接收器的位置。在描述图2中，使用下列定义和术语:
[0017]At:接收器时间估计误差；
[0018](Δχ, Δy, Δz):接收器位置估计误差；
[0019](X，y, z):目标或真实接收器位置；
[0020](xSji, ySji, zs, J:卫星 SVi 的精确位置；
[0021](X。，y0, Z0):接收器位置估计；
[0022]f。:标称码速率，1.023e6芯片/秒；
[0023]L1:标称 LI 载波频率，1575.42e6Hz ；
[0024]fd, 1:卫星SVi的载波多普勒；
[0025]tr:目标或真实接收器时间；
[0026]tr0:估计的接收器时间；
[0027]tSj1:目标或真实接收器时间处的SVi的卫星时间，以秒为单位；
[0028]ts0j1:估计的接收器时间处的SVi的卫星时间，以秒为单位；
[0029]Ci:目标或真实接收器时间处的SVi的卫星时间，以芯片为单位；
[0030]C0,,:估计的接收器时间处的SVi的卫星时间，以芯片为单位；
[0031]Acju:目标或真实接收器时间处的SVj和SVi之间的相对卫星时间，以芯片为单位；
[0032]Δ C0, J 1:估计的接收器时间处的SVj和SVi之间的相对卫星时间，以芯片为单位；
[0033]C:光速，2.99792458e8 米 / 秒；
[0034]P j:SVi和GPS接收器之间的距离；
[0035]c’ 1:根据原始(raw)测量所测量的SVi的卫星时间；以及
[0036]τ:在原始测量中所包括的复合误差。
[0037]对于标称应用场景而言，GPS卫星信号传播可以写成:
[0038]
【权利要求】
1.一种用于确定全球定位系统(GPS)接收器的位置的方法，所述方法包括: 标识具有到所述GPS接收器的未遮蔽通信路径的第一卫星和第二卫星，以及针对经标识的所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星，接收用于确定如下内容的数据: 卫星位置，以及 用于所传输的卫星信号的码相位； 计算所述第一卫星和所述第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，所述相对码相位是经确定的码相位之间的差值；以及 基于所述第一卫星和所述第二卫星的所述卫星位置以及所述相对码相位确定所述GPS接收器的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括: 估计所述GPS接收器的位置，所估计的位置与估计的接收器时间相关联； 计算针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星的卫星时间，所述计算基于在所述估计的接收器时间处的所述GPS接收器的所估计的位置和所述第一卫星和所述第二卫星的所述卫星位置；以及 求解基于所计算的卫星时间和所述相对码相位的等式以确定所述GPS接收器的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括: 针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星计算所述卫星时间，其中所述卫星时间根据第二等式计算:
4.根据权利要求2所述的方法，还包括: 求解基于所计算的卫星时间和所述相对码相位的所述等式，其中所述等式是:
5.根据权利要求2所述的方法，还包括: 使用最小二乘法或加权的最小二乘法求解所述等式。
6.根据权利要求2所述的方法，还包括: 计算所述第一卫星和所述第二卫星的所传输的卫星信号之间的所述相对码相位，其中所述相对码相位对应于目标时间处的相对卫星时间，其中所述相对卫星时间等于在所述目标时间处的针对所述第一卫星和所述第二卫星的卫星时间的差值，并且其中所述目标时间等于所述估计的接收器时间加上时间估计误差。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括: 接收用于确定用于所传输的卫星信号的所述码相位的数据，其中所述接收包括针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星的卫星时间的测量；以及从所测量的卫星时间的每个卫星时间移除误差。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括: 从所测量的卫星时间中的每个卫星时间移除所述误差，其中所述误差基于卫星时钟误差。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在没有确定完全解析的卫星时间的情形下，确定所述GPS接收器的位置，其中在没有确定卫星时间测量的秒计数和位计数部分的情形下确定所述位置。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在没有执行所述GPS接收器中的位同步并且没有执行所述GPS接收器中的帧同步的情形下，确定所述GPS接收器的位置。
11.一种全球定位系统(GPS)接收器，所述GPS接收器包括: 处理器；以及 使用用于命令所述处理器执行如下步骤的指令编码的计算机可读存储器，所述步骤包括: 标识具有到所述GPS接收器的未遮蔽通信路径的第一卫星和第二卫星，以及针对经标识的所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星，接收用于确定如下内容的数据: 卫星位置，以及 用于所传输的卫星信号的码相位； 计算所述第一卫星和所述第二卫星的所传输的卫星信号之间的相对码相位，所述相对码相位是所确定的码相位之间的差值；以及 基于所述第一卫星和所述第二卫星的所述卫星位置以及所述相对码相位确定所述GPS接收器的位置。
12.根据权利要求11所述的GPS接收器，其中所述步骤还包括: 估计所述GPS接收器的位置，所估计的位置与估计的接收器时间相关联； 计算针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星的卫星时间，所述计算基于在所述估计的接收器时间处的所述GPS接收器的所估计的位置和所述第一卫星和所述第二卫星的所述卫星位置；以及 求解基于所计算的卫星时间和所述相对码相位的等式以确定所述GPS接收器的位置。
13.根据权利要求12所述的GPS接收器，所述步骤还包括: 针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星计算所述卫星时间，其中所述卫星时间根据第二等式计算:tso, i = tr0- ( P i/C)， 其中ts(M是针对所述第一卫星或所述第二卫星的所述卫星时间，trt是所述估计的接收器时间，P i是所述第一卫星或所述第二卫星和所述GPS接收器之间的距离，并且C是光速。
14.根据权利要求12所述的GPS接收器，其中所述等式是:
15.根据权利要求12所述的GPS接收器，其中，使用最小二乘法或加权的最小二乘法求解所述等式。
16.根据权利要求12所述的GPS接收器，所述步骤还包括: 计算所述第一卫星和所述第二卫星的所传输的卫星信号之间的所述相对码相位，其中所述相对码相位对应于目标时间处的相对卫星时间，其中所述相对卫星时间等于在所述目标时间处的针对所述第一卫星和所述第二卫星的卫星时间的差值，并且其中所述目标时间等于所述估计的接收器时间加上时间估计误差。
17.根据权利要求11所述的GPS接收器，所述步骤还包括: 接收用于确定用于所传输的卫星信号的所述码相位的数据，其中所述接收包括针对所述第一卫星和所述第二卫星中的每个卫星的卫星时间的测量；以及 从所测量的卫星时间中的每个卫星时间移除误差。
18.根据权利要求17所述的GPS接收器，其中所述误差基于卫星时钟误差。
19.根据权利要求11所述的GPS接收器，所述步骤还包括: 在没有确定完全解析的卫星时间的情形下，确定所述GPS接收器的位置，其中在没有确定卫星时间测量的秒计数和位计数部分的情形下确定所述位置。
20.根据权利要求11所述的GPS接收器，其中， 在没有执行所述GPS接收器中 的位同步并且没有执行所述GPS接收器中的帧同步的情形下，确定所述位置。
【文档编号】G01S19/30GK103645488SQ201310203872
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2012年5月25日
【发明者】程健, 王智, 陈陌寒, 贾志科 申请人:马维尔国际贸易有限公司