一种实现定位的方法和一种电子设备的制作方法

专利名称：一种实现定位的方法和一种电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实现定位的方法，包括如下步骤接收由卫星发送的并以重现码扩频调制的信号、实现对接收到的经扩频调制的信号的捕获、测量接收到的扩频调制信号的码相位、接收用于定位的卫星星历参数、确定费用函数，为最小化费用函数进行的优化阶段。本发明还涉及一种电子设备，它包括实现定位的装置，它还包括接收由卫星发送的并以重现码扩频调制的信号的装置，用于捕获接收到的经扩频调制的信号的装置，测量接收到的扩频调制信号的码相位的装置，接收用于定位的卫星星历参数的装置、确定费用函数的装置、最小化费用函数的装置。
GPS系统中的每个运转卫星发送一个载频为1575.42MHz的所谓L1信号。这个频率也可以表示为154f0，其中f0＝10.23MHz。此外，卫星发送另一个称为L2的载频为1227.6MHz的测距信号，即120f0。在卫星中，这些信号由至少一个伪序列调制。这个伪序列对于每个卫星是不相同的。作为调制的结果，产生了一个码调制宽带信号。虽然在传输中使用的载频基本相同，但该调制技术在接收机中的应用仍使其能够辨别由不同的卫星发送的信号。这一调制技术被称为码分多址(CDMA)。在每一颗卫星中，用于调制L1信号的伪序列是例如所谓的C/A码(粗/捕获码)，它是金色码族中的一种。每个GPS卫星通过使用独立的C/A码发送信号。该码由两个1023比特二进制序列的模2的和组成。第一个二进制序列G1由多项式X10+X3+1形成，第二个二进制序列G2通过以这样一种方式延迟多项式X10+X9+X8+X6+X3+X2+1形成，以便使每一颗卫星的延迟各不相同。这种构成方式使得通过使用同一码发生器产生不同的C/A码成为可能。C/A码因此是二进制码，它在GPS系统中的基码速率是1.023MHz。C/A码包含有1023个基码，其中该码的重复时间(时期)是1ms。L1信号的载波还进一步被位速率为50比特/秒的导航信息调制。导航信息包括关于卫星的“健康”、轨道、时间数据等的信息。
为了检测卫星信号和识别卫星，接收机必须实现捕获，借此，接收机同时搜索每颗卫星的信号，并尝试捕获信号，并被锁定在这一信号上，以使该信号携带的信息能够被接收并解调。
定位装置具有两个主要功能1.计算接收机和各GPS卫星间的伪距离，和2.通过利用计算得来的伪距离及卫星的位置数据来确定接收机的位置。根据从卫星接收到的星历和时间修正数据，能够每次计算出卫星的位置数据。
因为接收机不能获知精确的时间，所以，到卫星的距离被称为伪距离。这样，位置和时间的确定过程被反复进行，直到获得关于时间和位置的足够的精确度。由于不能绝对精确地获知时间，因此，必须通过例如是对每个新的循环线性化一组方程式来确定位置和时间。
例如可以通过在接收机中测量卫星的码相位的方式实现伪距离的计算。
必须对接收机接收到的每个卫星信号执行上述的捕获和频率控制处理。某些接收机可能包含多个接收频道，其中将在每一个接收频道中做出每次对一颗卫星的信号进行捕获的尝试。
定位接收机接收由卫星发送的信息，并根据该接收到的信息进行定位。为了实现定位，接收机必须接收来自至少四颗不同卫星的信号，以检测x、y、z坐标以及时间数据。接收到的导航信息被存储在存储器中，这一存储信息可以用于检测例如是卫星的星历数据。


图1以一个原理图的形式显示了利用从四颗卫星SV1、SV2、SV3、SV4发射的信号，而在包含有一个定位接收机的无线通信设备MS内执行的定位。在GPS系统中，卫星发射在发送时间数据的同时也发送星历数据，据此定位接收机可以进行计算，以确定卫星当时的位置。这些星历数据和时间数据按帧发送(附图中未示出)，这些帧可以进一步被分为若干子帧。在GPS系统中，每帧包括1500比特，它被分为五个300比特的子帧。由于传送一个比特需要20ms，则传送每个子帧需要6s，而整个帧需要传送30秒。子帧被标号为1-5。在每个子帧1中，例如，时间数据被传送，指示子帧发送的时刻以及卫星时钟对在GPS系统内时间的偏差的信息。
子帧2、3被用于传送星历数据。子帧4包含其他系统信息，例如世界时、协调世界时(UTC)。子帧5计划用于传送所有卫星的历书数据。这些子帧和帧的统一体被称为GPS导航消息，包括25帧，即125个子帧。因此导航消息的长度是12分30秒。
在GPS系统中，时间从一个星期的开始以秒计量。在GPS系统中，星期开始于周六和周日之间的午夜。当所讨论的子帧已被发送时，每个被发送的子帧都包括GPS星期的即时信息。因此，时间数据表示传送某个比特的发送的时间，在GPS系统中，这是所讨论的子帧的最后一个比特的发送时间。在卫星中，时间通过高精度原子计时器计量。尽管如此，每颗卫星的运行由GPS系统的控制中心进行控制(未示出)，并且，例如，执行时间比较，以检测卫星的精密时计误差，并将这一信息发送到卫星。
根据本发明的电子设备的主要特征在于费用函数被用作以至少一个残余误差作为其自变量的取小数算子。
与现有的定位系统和接收机相比较，本发明具有很多的优点。应用了本发明的方法后，就不再需要指示由卫星一起发送的导航数据了。因此，定位可以通过被噪声干扰的信号实现，这使得在即便在象诸如室内环境这样的弱信号条件下，也可以提高定位的可用性。由于不需要在定位前接收用于传送导航数据的帧，与现有的接收机相比，应用本发明的方法能够实现快速定位和减少首次选定时间(Time To First Fix，TTFF)的检测时间。进一步地，根据本发明的一个优选实施例的方法中，不需要预先估计接收机的位置和参照时间，而是可以在定位的运算过程中得出该信息。此外，在该实施例中，接收机的参考时间的误差可以差不多超过420s，在现有技术中，这样的误差意味着将无法进行接收机的正确定位。
在定位接收机PR中，通过天线1接收到的并以重现码扩频调制的信号在高频放大器2中被放大，并最好是借助于时钟发生器3产生的时钟信号和频率合成器4，而在修正单元5中，将该信号修正为中频信号或直接修正为基带信号。在这一阶段，信号还是模拟形式，它在模数转换器6中被转换成数字信号。模数转换器6不仅提供一个数字接收信号，而且还提供了用于自动增益控制(AGC)单元7的一个控制，以便以公知的方式来消除接收信号在强度上的差异。被转换成中频或基带的数字信号被输送到一个或多个数字监控单元8，以便将所述数字信号转换为具有不同相位(I/O)的两个信号，并执行与参照码的乘法。监控单元8包括多个接收频道，其中，例如，所述与参照码的乘法可以对从多个不同的卫星接收的信号同时进行。监控单元8产生的信号被进一步输送到控制单元9，最好是一个数字信号处理器DSP，以对每个频道独立地找出接收信号的码相位和频移。控制单元9形成对监控单元8的反馈，以如果需要，就可以调整参照码的码相位和数控振荡器10。在码相位和频移被确定以后，就是说，接收机已经跟踪到了将要接收的信号，这样就可以开始信号伪距测量了，并且，如果需要，且如果有可能的话，解调并存储在信号中传送的导航信息。控制单元9最好将导航信息存储在存储器11中。接收机PR例如也可以利用移动通信装置MT，通过移动通信网络的基站BS，从移动交换中心MSC接收导航信息。
在根据本发明的优选实施例的方法中，通过从卫星接收到的信号可以测得接收到的基码数量 和码相位在控制单元9中变化后的码相位 。当定位接收机PR已经接收到与那些发送了信号的并且信号已被接收到的卫星的星历数据有关的至少一部分导航信息时，在该时刻，开始定位处理。与本发明有关，最好将按照下式(2)的费用函数用于定位中，其中试图找出费用函数的最小值。f(t,x,β)=cΣ[frac(φi+ϵi(t,x)+β-1000c||si(t-τi)-x||)]2----(2),]]>其中τi=1c||si(t-τi)-x||,]]>所估测的信号从卫星SVi到定位接收机的传播时间，t 时间x 定位接收机的位置β以毫秒的定位接收机的时钟误差，φi在定位接收机中的卫星SVi信号的码相位，εi包括群延迟、卫星的时间修正、电离层修正的、所估测的测量误差的补偿(伪距修正)，Si(t) 在时刻t，卫星SVi的位置，frac 取小数运算符，最好定义为fracr＝r-roundrc 光速在公式(2)的函数中，取小数运算符着重于所获得的差值，这个差值是信号的从卫星到接收机的估计传播时间与实际传播时间部分的差值。实际传播时间在这一阶段还不能被测量出来，仅仅可以测量C/A码相位，它只是整个伪距的一部分(一段)。整个部分，即码段的数量是未知的，并且它是从信号的传播时间估算来的。不过，在位置被确定出之前，可以将这个片断了解到足够的程度。通过优化费用函数，尝试找到这样一个位置，在这个位置形成的参考数尽可能地小。参考数例如可以是由公式(2)所表示的残余偏差之和，或乘积。取小数运算最好是这样，整数部分被从取小数运算的变量中消除，它的小数部分被保留。
根据卫星的星历数据，有可能检测在发送信号那一刻发送了信号的卫星SVi的位置。然而，定位接收机PR的时间数据并不需要非常精确，其中在求解公式(2)时首先并不需要位置非常精确。因此，定位接收机时钟偏差β被包含在费用函数中，当最小值被找到后，时钟偏差可以被设置得充分接近正确的值。卫星SVi的码相位φi可以通过测量接收机接收到信号来确定。然而，误差可以被用于码相位的测量，例如，大气对卫星信号传播的影响，能够导致误差的产生。这些测量误差的影响通过可变的εi估算。信号从卫星SVi到接收机的估算传播时间一般约为0.078秒。
在根据本发明的第一个优选实施例的方法中，定位通过下述方法执行。在初始化阶段，为时间和接收机位置设置默认值。为接收机位置x所选择的默认值可以是，例如，服务基站BS的位置(附图1)。所使用的时间的默认值可以是在这一阶段的时钟时间，可是，仍然可以有很大程度上的错误。此外，还搜索是否在接收机PR中有足够数量的可用的星历信息。万一接收机中没有有关对接收机进行定位中所用的所有卫星的足够数量的星历数据，就尝试例如是从移动通信网络为接收机提供所丢失的星历数据。此外，为了确定有可能在计算公式(2)时所需的电离层修正，可将电离层的特性信息提供给接收机。电离层会对信号的传播产生影响，通过考虑电离层的影响，定位的精度可以被进一步提高到某种程度。在初始化阶段中，在所有需要的信息已经被确定后，对所需要的卫星信号的捕获就可以开始了。例如，根据轨道信息和时间估测，可以在接收机PR中确定哪些卫星在给定时刻位于其信号可以被接收机PR接收的位置上。同样，万一有超过5颗这样的卫星，选择那些对于定位最有利的位置上的卫星(GDOP，Geometric Dilution of Precision精密长的几何削弱)，这同样是公知的。接收机PR被锁定在所需要的卫星信号上之后，码相位测量(C/A)可以开始。换句话说，有可能在所有所需信息可用之前，锁定卫星和码相位测量在初始化阶段就已经开始了。码相位测量结果φi被分割为毫秒，可表述为φi∈(-12,12)]]>的形式。
下一步是使费用函数(2)最小化。在根据本发明的第一个优选实施例的方法中，费用函数的最小值以某种方式实现，即计算公式(2)，并得到费用函数的一个值。依靠这样已知的优化方法反复计算，据此尝试找到费用函数的本地最小值。倘若用作初始值的时间估测和默认位置充分逼近正确位置，则费用函数有一个全球最小值。在实践中，证实时间估测和默认位置是否与正确值足够接近可能是十分困难的。下面的不等式可以用于一种估算。1210s|Δt|+1150km||Δx||+2|Δβ|+2|Δϵ|<1----(3)]]>因为费用函数显然是凸函数，所以优化收敛很快。因此，费用函数的梯度和Hesse矩阵相对容易估算，尤其是如果通过多项式来模拟卫星的轨道。因此，便利的优化方法包括高斯—牛顿法和共轭梯度法。
优化甚至可以通过下面这种迭代完成。tk+1xk+1βk+1=tkxkβk-H-1▿f----(4)]]>其中，▿f≈2000cΣi=1nfrac(φi+ϵi+β-1000c||si(t-τi)-x||)-viTuiuic1000∈R5]]>H≈Σi=1n-viTuiuic1000-viTuiuic1000∈R5x5]]>其中ui是从接收机PR到卫星SVi的单位矢量，并且vi＝si’(t-τi)。
在下面的方法中，通过执行上述优化阶段，定位可以被加快到某种程度。通过使用例如是一个三次内插多项式和使用接收机PR的位置作为默认位置计算伪距修正εi，来设置卫星si(t)，i＝1，...，n，的轨道函数。搜索费用函数的最小值，以保持伪距修正εi的值为常数。如果根据最小点的位置与默认位置相去很远，则重复前面提到的卫星轨道函数的设置阶段和最小函数的搜索阶段，在这些阶段中，在在先计算中得到的位置被作为接收机的新的默认位置。
当在优化阶段确定了最小点之后，就可以知道接收机位置x、时间t和接收机的时钟偏差β了。
解出5元方程组(时间，位置，时钟偏差)，从而，当采用了根据本发明的第一优选实施例的方法时，接收机PR中至少接收了五颗卫星的信号，并且测量了它们的码相位。此外，至少这五颗卫星的星历数据已经被传送到接收机PR了，以进行最小化。然而，由于星历数据在一个相对长的时间内是有效的，典型地为几个小时(4到6小时)，那么就没有必要经常传送这些星历数据。在信号良好的条件下，接收机还可能显示来自接收信号中的星历数据，这里不必要分别给接收机发送星历数据。
在接收机PR捕获了至少五颗卫星的信号并且基于这些信号进行了码相位测量之后，定位基本上可以立即实现。考虑到接收机的位置和时间数据的默认值的精确度，位置具有最多150km的精度、时间偏差最多是±120s，在这个优选实施例中，这就足够了。倘若接收机接收到超过五颗卫星的信号，这些多出的卫星信号可以被用来确定错误的本地最小点。如果接收机的默认位置进一步远离所述的150km，和/或时钟偏差大于所述的±120s，则这样一个错误的本地最小点可以在优化费用函数最小的过程中产生。不过，这样一个错误的本地最小值大于相应于正确位置的费用函数的最小点的值。
按照本发明的第二个优选实施例，需要首先知道接收机PR的默认位置和时间数据。定位因此在下面的便利的方法中通过使用费用函数(2)实现。通过将搜索的地理区域(国家、大陆、地球)和时间数据分割为较小的四维子区域，大小约为300km×300km×300km×420s，接收机的位置被检测到。在每个这样的子区域中搜索费用函数(2)的本地最小点。在从至少两个子区域中检测到费用函数的本地最小点之后，对这些本地最小点进行比较。如果这些本地最小点中的一个明显小于其他本地最小点，可以认定所讨论的最小的本地最小点对应于接收机PR的正确位置和时间数据。在这种情况下搜索可以终止。如果没有找到这种明显小于其他的最小点，则继续在各个子区域中搜索直到找到明显较小的最小点，或直到该被搜索的区域的所有子区域都被检查过了。因此，最小的本地最小点指示出了接收机PR的位置和时间数据(时钟偏差)。因此，在根据本发明的第二个优选实施例的方法中，不需要接收机的默认位置或时间数据，而定位可以基于码相位测量和轨道数据实现。
在根据本发明的第三个优选实施例的方法中，定位可以通过如下的方法便利地进行，在优化阶段中搜索本地最小点，然后，相应于该最小点的定位数据被从以地球为中心的地球固定(ECEF)坐标变换为大地纬度—经度—高度坐标。这些坐标中搜索高度数据，如果它过高或过低，可以推断所确定的位置是错误的。然后，进行费用函数的新优化。在新的优化过程中，可能使用另外的时间估测和/或默认位置。对高度数据设置的允许限制可以是例如，-500m(低于海/地平面)和+10km。高度数据超出这一限制一般表示位置相对于地表面过低或过高。由于卫星(轨道)的几何形状，错误的最小点的高度典型地为相对于地球表面300km或600km过高或过低。
根据本发明的方法的函数可以主要在控制单元9中作为程序被执行，方便地作为数字处理单元DSP的程序码。费用函数最好被存储在存储器11中和/或作为控制单元9的程序码。
例如可以使用一个实时时钟(RTC)而在接收机MS中形成参考时钟，或也可以通过一个外部时钟(未示出)形成，或从象移动通信网络这样的一个外部网络得到时间数据。
移动通信装置MT最好包括一个第二天线12、无线通信部件13、音频装置，例如编译码器14a、扬声器14b和麦克风14c，显示器15、键盘16以及存储器11。控制单元9可以至少部分地共用于执行接收机PR和移动通信装置MT的功能、或可以是多个独立的处理器或其它可用于实现这些功能的方式的部件。
显而易见，本发明不仅仅限于上述实施例，而是在所附权利要求书的范围内可修改的。
权利要求
1.一种进行定位的方法，包括如下步骤，接收由重现码调制并由多颗卫星(SV1-SV4)发射的扩频信号、执行对接收到的扩频调制信号的捕获、测量所接收到的扩频调制信号的码相位、接收用于定位的卫星星历参数、确定一个费用函数，并进行使费用函数最小化的优化阶段，其特征在于，费用函数被设置为一个具有至少一个作为自变量的残余误差的取小数算子。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，残余误差由信号从卫星到接收机的估计传播时间与实际传播时间测量的部分的差值构成，并且其中将从接收到的信号中测量出的码相位作为传播测量的时间的部分。
3.根据权利要求1或2中所述的方法，其特征在于，两个或多个残余误差之和作为取小数算子的自变量。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述费用函数被表述成下述方程f(t,x,β)=cΣ[frac(φi+ϵi(t,x)+β-1000c||si(t-τi)-x||)]2,]]>其中，τi=1c||si(t-τi)-x||,]]>所估测的信号从卫星SVi到定位接收机的传播时间，t 时间x 定位接收机的位置β以毫秒表示的定位接收机的时钟误差，φi在定位接收机中的卫星SVi信号的码相位，εi包括群延迟、卫星的时间修正、电离层修正的、所估测的测量误差的补偿(伪距离修正)，Si(t) 在时刻t，卫星SVi的位置，frac 取小数运算符，c 光速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的取小数算子被定义为fracr＝r-roundr。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述残余误差至少是根据所述码相位测量值和星历参数而形成的。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述的方法，其特征在于，为了执行优化阶段，为接收机的时间误差和位置选择默认值。
8.根据权利要求1-7中任何一项所述的方法，其特征在于，至少五颗卫星传送的数据被用于定位。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其特征在于，在该方法中，至少搜索两个本地最小点，其中根据在所述优化阶段确定的最小本地最小点来确定接收机的位置。
10.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其特征在于，优化阶段之后，相应于费用函数最小点的位置的高度数据与预先确定的最小值和最大值相比较，其中，倘若高度数据小于所述最小值或高于所述最大值，则执行新的优化阶段，在其它情况下，基于在优化阶段确定的本地最小点来确定接收机的位置。
11.根据权利要求1-10中任何一项所述的方法，其特征在于，通过公式tk+1xk+1βk+1=tkxkβk-H-1▿f]]>重复执行费用函数的最小化，其中，▿f≈2000cΣi=1nfrac(φi+ϵi+β-1000c||si(t-τi)-x||)-viTuiuic1000∈R5]]>H≈Σi=1n-viTuiuic1000-viTuiuic1000∈R5x5]]>其中ui是从接收机PR到卫星SVi的单位矢量，并且vi＝si’(t-τi)。
12.一种包括用于实现定位的装置(PR)的电子设备(MS)，包括用于接收由重现码调制并由多颗卫星(SV1-SV4)发射的扩频信号的装置(1-6)、用于捕获所接收的扩频调制信号的装置(8，9)、测量接收到的扩频调制信号的码相位的装置(9，DSP)、接收用于定位的卫星星历参数的装置(1-6，12，13)、确定费用函数的装置(9，11，DSP)、使费用函数最小化的装置(9，DSP)，其特征在于，费用函数是一个具有至少一个作为其自变量的残余误差的取小数算子。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，残余误差由所估测的信号从卫星到接收机的传播时间与实际传播时间测量的部分的差值构成，并且其中从接收到的信号中测量的码相位作为传播时间测量值的部分。
14.根据权利要求12或13所述的电子设备，其特征在于，两个或多个残余误差之和作为取小数算子的自变量。
15.根据权利要求12、13或14所述的电子装置，其特征在于所述费用函数被表述成下述方程f(t,x,β)=cΣ[frac(φi+ϵi(t,x)+β-1000c||si(t-τi)-x||)]2,]]>其中，τi=1c||si(t-τi)-x||,]]>所估测的信号从卫星i到定位接收机的传播时间，t 时间x 定位接收机的位置β 以毫秒表示的定位接收机的时钟误差，φi卫星i的码相位，εi包括群延迟、卫星的时间修正、电离层修正的、所估测的测量误差的补偿(伪距修正)Si(t) 在时刻t，卫星i的位置，frac 取小数运算符，c 光速
16.根据权利要求15所述的电子设备，其特征在于所述的取小数算子被定义为fracr＝r-roundr。
17.根据权利要求12-16中任何一项所述的电子设备，其特征在于，所述残余误差之和至少是在所述码相位测量值和星历参数的基础上形成的。
18.根据权利要求12-17中任何一项所述的电子设备，其特征在于，为接收机的时间误差和位置选择了默认值。
19.根据权利要求12-18中任何一项所述的电子设备，其特征在于，用于接收由重现码调制并由多颗卫星(SV1-SV4)发射的信号的装置(1-6)包括用于接收至少五颗卫星发射的信号的装置(8)。
20.根据权利要求12-19中任何一项所述的电子设备，其特征在于，包括用于检测费用函数的至少两个本地最小点的装置(9)，和用于根据最小本地最小点确定接收机位置的装置(9)。
21.根据权利要求12-19中任何一项所述的电子设备，其特征在于，它包括用于将相应于费用函数的最小点的位置的高度数据与预先确定的最小值和最大值进行比较的装置(1-8)，其中，倘若高度数据小于所述最小值或高于所述最大值，则将执行一个已安排的新的优化阶段，倘若高度数据高于或等于所述最小值并小于或等于所述最大值，则将会根据该本地最小点来确定接收机的位置。
全文摘要
本发明涉及一种实现定位的方法，其中，由重现码调制并由卫星(SV1－SV4)发射的扩频信号被接收。该方法包括如下步骤，对接收到的扩频调制信号进行捕获、测量接收到的扩频调制信号的码相位、接收用于定位的卫星星历参数。在该方法中，执行一个优化阶段以最小化费用函数。该费用函数用作为一个取小数算子，其中至少一个残余误差作为所述取小数算子的自变量。
文档编号G01S5/14GK1409126SQ02149539
公开日2003年4月9日 申请日期2002年9月17日 优先权日2001年9月17日
发明者N·西罗拉, J·叙尔亚林内 申请人:诺基亚有限公司