使用具有交错式伪随机码码相位跟踪的gnss系统及方法
【专利说明】使用具有交错式伪随机码码相位跟踪的GNSS系统及方法 相关申请的交叉引用
[0001] 本申请主张2013年8月13日申请的第13/966, 142号美国专利申请以及2012年 9月17日申请的第61/702, 031号美国临时专利申请的优先权，两个申请以引用的方式并入 本文中。
技术领域
[0002] 本发明主要涉及全球导航卫星系统（GNSS)接收器技术，且尤其是涉及使用平行 相关内核模块及跟踪信号（例如L2C)以用于稳固性以及改进特定在接收器操作中断期间 的基于GNSS的定位、弱信号及影响接收器性能的其它条件。
【背景技术】
[0003] 全球导航卫星系统（GNSS)包含全球定位系统（GPS)，其由美国政府建立及操 作且采用在近似20, 200km的海拔处的明确界定的轨道中的24个或24个以上卫星的星 座。这些卫星在三个频带中持续发射微波L带无线电信号，三个频带集中在1575. 42MHz、 1227. 60MHz及1176. 45MHz，分别表示为L1、L2及L5。所有GNSS信号包含相对于卫星的机 载精密时钟的计时模式（其通过地面站而保持同步）以及提供卫星的精确轨道位置的导航 消息。GPS接收器处理无线电信号，计算到GPS卫星的范围，及通过三角测量这些范围，GPS 接收器确定其位置及其内部时钟误差。可取决于所使用的可观察量及所采用的校正技术来 实现不同的准确度水平。举例来说，可使用具有单频率或双频率（LI及L2)接收器的实时 动态（RTK)方法来实现在约2cm内的准确性。
[0004] GNSS还包含伽利略（Galileo)(欧洲）、全球导航卫星系统（GLONASS、俄罗斯）、 北斗（Beidou)(中国）、指南针（Compass)(提议）、印度区域导航卫星系统（IRNSS)及 QZSS(日本、提议）。伽利略将发射集中在表示为Ll或El的1575. 42MHz、表示为E5a 的1176. 45MHz、表示为E5b的1207. 14MHz、表示为E5的1191. 795MHz及表示为E6的 1278. 75MHz的信号。GLONASS发射大致集中在分别表示为GLl及GL2的1602MHz及1246MHz 的FDM信号群组。QZSS将发射集中在LU L2、L5及E6的信号。GNSS信号群组在本文分组 为"超带"。
[0005] 为了获得可通过使用GNSS而实现的准确度的较佳理解，有必要了解可从GNSS卫 星获得的信号的类型。一种类型的信号包含调制Ll无线电信号的粗糙获取（C/A)代码以 及调制Ll及L2无线电信号两者的精密（P)代码两者。这些代码为提供与模式的接收器版 本相比可为已知模式的伪随机数字代码。通过测量对准伪随机数字代码所需的时间移位， GNSS接收器能够计算到卫星的明确的伪范围。C/A及P代码两者具有分别为约300米（1 微秒）及30米（1/10微秒）的相对较长的"波长"。因此，使用C/A代码及P代码得到仅在 相对粗糙分辨率水平的位置数据。
[0006] 用于位置确定的第二类型的信号是载波信号。如本文所使用的术语"载波"指在移 除经调制伪随机数字代码（C/A及P)所引起的光谱含量之后保持在无线电信号中的主要频 谱分量。LI及L2载波信号分别具有约19及24厘米的波长。GNSS接收器能够"跟踪"这 些载波信号，并且在这样做时，使载波相位的测量值精确到完整波长的小部分，从而准许范 围测量值精确到小于一厘米的准确性。
[0007] 在不参考附近参考接收器的情况下确定接收器的位置坐标的独立GNSS系统中， 位置确定的过程经受来自许多源的误差。这些误差包含卫星的时钟参考误差、轨道卫星 的位置、电离层诱发的传播延迟误差及对流层折射误差。这些误差源的更详细论述提供于 Yunck等人的第5, 828, 336号美国专利中。
[0008] 为了克服独立GNSS的误差，许多动态定位应用利用多个GNSS接收器。定位于具 有已知坐标的参考站点的参考接收器与通过远程接收器接收信号同时接收卫星信号。取决 于分离距离，上述误差中的许多将针对两接收器而同等地影响卫星信号。通过获取在参考 站点及在远程位置两者接收的信号之间的差，这些误差得以有效地消除。这有助于相对于 参考接收器的坐标而准确确定远程接收器的坐标。差分信号的技术在此项技术中已知为差 分GNSS (DGNSS)。DGNSS与载波相位的精确测量值的组合导致小于一厘米均方根（厘米级 定位）的位置准确性。当利用载波相位的DGNSS定位在远程接收器潜在地运动时实时进行 时，常常称为实时动态（RTK)定位。
[0009] 有效地提供GPS系统中的较多测量值的一种方法将使用双频（DF)接收器用于与 L1C/A代码产生码相位测量值同时来跟踪来自Ll及L2载波上的P代码调制的δ距离测 量。Ll及L2载波通过同时离开GNSS卫星的代码来调制。由于电离层产生用于不同频率的 无线电载波的不同延迟，所以此类双频接收器可用以获得在各个接收器位置的电离层延迟 的实时测量值。组合Ll及L2测距测量值以创建具有与Ll伪距中的电离层延迟相同的正 负号的电离层延迟的新Ll测距测量值。准确的电离层延迟信息在用于位置解决方案中时 可帮助产生较多准确性。在不存在此类实时电离层延迟测量值的情况下，通常使用其它校 正技术，例如差分GNSS (DGNSS)、在付费订购基础上可用的专有第三方卫星扩增系统（SAS) 服务、或美国赞助的广域扩增系统（WAAS)。类似方法及对应设备配置可用于其它GNSS系 统，包含上文所识别的那些系统。
[0010] 相比于单频（通常LI)接收器系统，先前双频接收器系统由于其用于适应L2测量 值的额外组件而倾向于相对昂贵。此外，额外组件倾向于消耗较多功率及所需额外空间。再 者，双频接收器应适用于供所有存在及计划的GNSS使用，发射可分组为大体在约1160MHz 到1250MHz及1525MHz到1613MHz范围内的无线电信号频率的两"超带"的信号。因此，优 选多频接收器应为：单个专用集成电路（ASIC);可编程用于降频转换各个频率对；最低限 度地设定大小；及能够用最小功率操作。例如且不限于可供本发明使用的组件的概括性，在 第8, 217, 833号美国专利中展示及描述合适的ASIC，所述专利转让给共同或联合拥有的受 让人且以引用的方式并入本文中。
[0011] 美国的全球定位系统（GPS)在1995年7月17日首先达到完全操作能力。在几乎 二十年之后，技术的进步及新需求已引起使GPS系统现代化的努力。部分的现代化是将在 不同于Ll频率（1575.42MHz)的频率上发射的新民用导航信号。此信号由于其是L2频率 (1227. 6MHz)上的民用信号广播而变得被称为L2C信号。其通过所有封闭式IIR-M及新一 代的卫星来发射。
[0012] 怀特黑德（Whitehead)等人的第6, 744, 404号美国专利展示用于减少GPS中的多 路径的未偏置码相位估计器，及以引用的方式并入本文中。美国海岸警卫队导航中心、"GPS FAQ"、美国国土安全部；及Navstar全球定位系统、"接口规格-ICD-GPS-200"、Navstar GPS 联合项目办公室也以引用的方式并入本文中。
【发明内容】
[0013] 本发明涉及与新的L2C信号相关的跟踪算法。更具体来说，利用两平行相关内核 模块用于基于未知特性的同时处理，例如导航数据位D的正及负值。根据导航数据位D的 正负号的分辨率，形成对应的码相位及载波相位鉴别符且发送到代码及载波相位跟踪环路 以驱动本地副本以遵循传入信号。
[0014] L2C明显地简化双频设计。在L2C之前，不存在L2频率上的民用代码且仅军事信 号L2P存在于此频率上。已知L2P的结构，然而为了拒绝对此军事信号的未授权的访问，通 过称作Y代码的另一未知信号来调制L2P。Y代码使民用双频接收器的设计明显地复杂。 必须采用半无代码或无代码技术来跟踪L2P (Y)代码，所述技术造成性能下降（尤其在较低 SNR情形下）。与此对比，L2C代码的结构是完全已知的。预期L2C的代码噪声性能类似于 L1C/A。L1C/A上的L2C的优点在于L2C具有导频音调，其可通过纯的锁相环路而非科斯塔 斯（Costas)环路来跟踪。与科斯塔斯跟踪环路（其为L1C/A载波的情况）相比，形成器具 有6dB跟踪阈值的优点。稳固的L2载波跟踪可辅助其它跟踪环路，例如L2P、LlP及LlC/ A。其还将频率分集引入到计数器电离层闪烁效应，作为Ll及L2两者不大可能同时发生的 强衰退。具有L2C跟踪的接收器将导致较少接收器操作中断及较多稳固完整性。
【附图说明】
[0015] 图1为用于产生L2C信号的基于GPS卫星的电路的框图。
[0016] 图2为L2C计时关系的图。
[0017] 图3a为L2C民用长（CL)代码的图。
[0018] 图3b为L2C民用中型（CDM)代码的图。
[0019] 图4为展示数据依赖性的L2C代码的图。
[0020] 图5a及5b展示具有体现本发明的方面的多路径减轻的复合代码检测系统的框 图。
[0021] 图6a为当导航数据D = 1时的L2C代码的图。
[0022] 图6b为当导航数据D = 0或（-1)时的L2C代码的图。
【具体实施方式】 I.介绍及环境
[0023] 根据需要，本文中揭示了本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅 是本发明的示范性的，本发明可以各种形式体现。因此，未将本文中所揭示的特定结构及功 能细节解释为限制性的，而是仅作为权利要求书的基础及作为用于教示本领域技术人员以 实际上任何适当详细结构来不同地采用本发明的代表性基础。
[0024] 将为方便起见，仅以参考而不将以限制方式在以下描述中使用某些术语。举例来 说，上、下、前、后、右及左指本发明根据正参照的视图而定向。词"向内"及"向外"分别指朝 向及远离所描述实施例及其指定部分的几何中心的方向。所述术语将包含特别提及的词、 其派生词及类似意义的词。
[0025] 全球导航卫星系统（GNSS)经广泛地定义以包含全球定位系统（GPS、美国）、伽利 略（提议、欧洲）、GLONASS(俄罗斯）、北斗（中国）、指南针（提议）、印度区域导航卫星系 统（IRNSS)、