专利名称：直接捕获精确码gps信号的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球定位系统(GPS)，特别涉及捕获来自卫星的GPS信号。
背景技术：
全球定位系统(GPS)是一种卫星导航系统，设计成能在世界的几乎任何位置提供位置、速度和时间信息。GPS由美国国防部开发，现在包括一个有24颗运作中的卫星的星座。
GPS提供两种级别的服务标准定位服务和精确定位服务。标准定位服务(SPS)是一种可供所有GPS用户使用的定位和定时服务。SPS利用粗捕获伪随机码(C/A码)和导航数据消息。SPS提供水平100米(95％)、垂直156米(95％)的相对、可预测定位精度，时间转换精度不超出340纳秒(95％)。
精确定位服务(PPS)是一种高精度的军用定位、速度和定时服务，它可供经授权用户在全球范围内连续使用。PPS利用精确码(P码)，将其主要设计成供美国军方使用。可使用P码的军方用户设备提供至少水平22米(95％)、垂直27.7米的可预测定位精度，转换为国际标准时间(UTC)的时间精度不超出200纳秒(95％)。
GPS卫星以两个L波段频率(L1＝1575.42MHz及L2＝1227.6MHz)发射三个伪随机噪声(PRN)测距码，并使用。卫星发射的C/A码为在GPS L1载波信号上双相调制的1023位伪随机二进制序列，码速率为1.023MHz，其码重复周期为1毫秒。
卫星发射的P码为一个非常长的双相调制的伪随机二进制序列，大约为1014位，码速率为10.23MHz，该序列在267天内不会重复。每个GPS卫星发射P码序列的一个唯一的“一周”片段，并在每个星期复位该序列。被称为Y码的第三种码，是一种与P码联合使用的加密序列，用于提高安全性和防欺骗性。P码和Y码均可在L1频率和L2频率上。
已经设计了多种的接收器，用于对卫星发射的信号进行解码，以确定位置、速度或时间。一般情况下，为了对GPS信号进行译解及计算出最终位置，接收器必须捕获来自视野内一个或多颗卫星的GPS信号，测量及跟踪所接收的信号，并从这些信号中恢复导航数据。
搜索和捕获GPS信号、及计算接收器位置的过程会耗费时间。例如，要捕获携带C/A码的GPS信号，移动装置通常执行GPS信号与内部存储的C/A码序列的滑动(free-running)相关。或者，移动装置可以在一段持续时间收集GPS信号的快照，以捕获整个序列，即长于1毫秒，并通过使所缓冲信号与所存储C/A码序列相关来计算该卫星的一个时间偏移量(伪距)。
除了码序列之外，每颗卫星发射一个导航消息，其中包括称作“星历”的数据，例如其轨道参数、时钟状态、系统时间和状态消息。在为卫星计算出伪距之后，移动装置提取星历数据，并根据为卫星计算出的伪距和从卫星接收到的星历数据计算最终位置。
辅助定位捕获是一种已经用于商业级移动装置中的技术，用以加速C/A码的捕获过程。根据该方法，将C/A码的捕获过程分配在移动装置和网络之间。定位辅助服务器作为一个基准GPS接收器，诸如一个蜂窝基站，持续在一个固定位置运转。当一个移动装置希望捕获一个C/A码时，该移动装置与定位服务器进行通信，及请求包括星历数据在内的辅助信息。移动装置利用此星历数据加速用于捕获C/A码的相关过程。具体而言，移动装置能够根据接收自辅助服务器的星历数据估算时间偏移量，从而减少需要执行的相关数目。
捕获P码比捕获C/A码需要更多的计算。出于各种实际目的，P码序列是非重复的。换言之，缓冲整个P码序列是不可行的，对于一个给定卫星，P码序列一周复位一次。为此，军用级别的GPS接收器经常利用C/A码来加速捕获P码。换言之，移动装置首先捕获C/A码以便从信号中提取星历数据。该装置利用从C/A码提取出来的星历数据来加速捕获P码的相关过程。
不过，即使在利用C/A码捕获信号时，此过程通常也需要数分钟。在很多情况下，不能接受这一较长的处理时间，及进一步，较长的处理时间会极大地限制便携式应用的电池寿命。所述捕获过程在在弱信号或干扰环境中会变得更为困难。
发明内容
一般说来，本发明是针对用于直接、有效地捕获来自GPS卫星的P码信号的技术。换言之，可以不需要首先捕获来自卫星的C/A码信号而捕获P码信号。
例如，在一个具体实施例中，一个系统包括一个辅助服务器，用于跟踪来自全球定位系统(GPS)卫星的信号，并自该信号产生捕获辅助数据。该系统进一步包括一个移动装置，其用以接收来自该辅助服务器的捕获辅助数据，并根据该捕获辅助数据捕获来自该卫星的P码信号。所述捕获辅助数据可以包括为卫星指示一个P码伪随机码序列的初始时间偏移量的起点周时数据。移动装置可以包括一个用于根据该起点周时数据就地产生一个基准伪随机码序列的基准信号产生器。该辅助服务器可以跟踪及自C/A码信号或P码信号产生捕获辅助数据。移动装置和辅助服务器可以通过一种有线或无线通信链路耦合。
在另一具体实施例中，一种方法包括接收来自一个辅助服务器的捕获辅助数据，并根据该捕获辅助数据确定与一颗卫星信号相关的P码伪随机码序列的时间偏移量。
在另一具体实施例中，一种设备包括一根天线，用于接收来自全球定位系统(GPS)卫星的信号；及一个无线调制解调器，用于接收来自辅助服务器的捕获辅助数据。该设备进一步包括一个基准信号产生器，用以根据该捕获辅助数据产生一个基准伪随机码序列；及一个处理器，用于根据该捕获辅助数据为与该信号相关的P码伪随机码序列确定一个时间偏移量。
在另一具体实施例中，一种计算机可读媒体包含指令，该等指令使一个可编程处理器接收来自辅助服务器的捕获辅助数据，及使该可编程处理器根据该捕获辅助数据确定与一颗卫星信号相关的P码伪随机码序列的时间偏移量。
本发明的一个或多个具体实施例的细节列于附图和以下说明中。本发明的其它特点、目的和优点由说明、绘图和权利要求可以明了。
图1是说明一种示例系统的方块图，在此系统中，一个移动装置利用辅助信息直接捕获P码GPS信号。
图2是说明该移动装置的一个示例具体实施例的方块图。
图3是说明该移动装置操作的示例模式的流程图。
图4是进一步说明根据该等技术为一给定卫星计算伪距的示范过程的流程图。
图5说明代表P码GPS信号的数字数据的一个示例对准。
图6是一个定时图表，其说明根据时间不确定性数值由该移动装置利用重叠保存方法执行的示例相关操作。
图7是一个说明当时间不确定性数值相对较大时示例捕获过程的流程图。
图8是一个说明用于捕获多颗卫星的自适应捕获过程的流程图。
具体实施例方式
图1是一个说明示例系统2的方块图，在该系统中，移动装置4利用捕获辅助数据直接捕获来自卫星8的P码GPS信号6。具体而言，一个辅助服务器10连续监控并跟踪来自卫星8的GPS信号6，并根据该等信号准备及维持捕获辅助数据。例如，辅助服务器10可以跟踪一个P码GPS信号或一个C/A码信号，并从该信号中提取捕获辅助数据。此捕获辅助数据可能包括卫星8中每一颗卫星的起点周时(TOW)信息。此外，该捕获辅助数据可以进一步包括从该等信号6中所提取的星历数据，诸如当前视野内的卫星8的卫星(S.V.)识别、时钟状态、系统时间、每颗卫星的多普勒频移、状态消息，等等。
辅助服务器10将该捕获辅助数据传递给移动装置4，如此处的描述，该装置利用该捕获辅助数据直接而高效地捕获P码信号，而不需要首先捕获C/A码信号。例如，移动装置4利用TOW信息，为卫星6中的每颗卫星选择P码序列内的初始时间偏移量。移动装置4在相关过程中将该初始时间偏移量用作该序列内的起始位置。这样，移动装置4通常可以显著缩短捕获过程，及可以捕获来自卫星6的P码信号，而不需要首先捕获来自该等卫星的C/A码。
在捕获P码信号后，移动装置4计算其位置、速度或其它GPS数据。或者，移动装置4可以将伪距数据传递给辅助服务器10。根据这些伪距数据，再加上关于当前星历数据的知识，辅助服务器10为移动装置4计算出位置、速度或其它GPS数据，并将所计算的GPS数据传递给移动装置4。
移动装置4可以是能够接收GPS信号及计算GPS数据的各种移动GPS接收器中的任一种。示例包括手持GPS接收器、安装于一个运载工具上的GPS接收器，运载工具包括飞机、汽车、坦克、船只，等等。
辅助服务器10和移动装置4可以使用多种传统有线或无线协议中的任意一种通过链路5通信，链路5可以是一个无线链路、一个硬件接口(如串行端口或并行端口)、以太网连接，等等。一种常见的无线通信协议是码分多址(CDMA)，在这种协议中，通过一个射频(RF)频谱同时进行多个通信。其它示例包括全球移动通信系统(GSM)，其利用窄带时分多址传输数据；及通用分组无线业务(GPRS)。在一些具体实施例中，移动装置4可以将GPS接收器和无线通信装置集成在一起用于语音或数据通信。
辅助服务器10可以包括一个具有固定位置的高性能GPS接收器。例如，可以将辅助服务器10耦合到一个无线通信基站，用于与移动装置4进行顺畅的通信。
图2是一个更加详细说明一个示例移动装置4的方块图。一般情况下，移动装置4包括一根GPS天线20、降频器22、频率合成器24、模数转换器(ADC)26、存储器28、数字信号处理器(DSP)30和基准信号产生器31，用于接收和捕获GPS信号6。此外，移动装置4包括无线调制解调器32和RF天线34，用于同辅助服务器10进行通信。
降频器22通过GPS天线20接收来自卫星8的信号6，及将该等信号与由频率合成器24产生的一个信号混频，用以将该等信号由L波段频率转换为用于处理的基带频率。降频器22可以首先将该等信号转换为一个中频进行调理，然后再将经调理的信号转换为基带频率。或者，降频器22可以实施一种零中频(ZIF)结构，用于将L波段的频率直接转换为基带。
ADC26对基带信号进行采样，以产生该信号的数字化表示，然后将该数字数据的快照存储在存储器28中。例如，存储器28可以存储连续的一套数字化数据，其通常对应于该基带信号的100毫秒到1秒或者更长的持续，时间供数字信号处理器30在捕获过程中使用。
数字信号处理器(DSP)30通过无线调制解调器32和RF天线34与辅助服务器10进行通信。尽管在图2中未做说明，但无线调制解调器32通常包括一个降频器和一个模数转换器，用于处理接收自RF天线34的RF信号。尽管GPS和蜂窝通信可以共用一个天线，但是优先选用分离的天线，因为蜂窝通信与GPS信号通常使用不同的RF波段。
数字信号处理器(DSP)30通过RF天线34接收来自辅助服务器10包括起点周时信息的捕获辅助数据，及存储该信息，以在捕获过程中使用。数字信号处理器(DSP)30可以将该信息存储在存储器28、内部芯片内存储器或其它适当的计算机可读媒体内。此外，数字信号处理器(DSP)30通常根据取自计算机可读媒体内的可执行指令进行操作。所述媒体的示例包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失随机访问存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存，等等。尽管是参考数字信号处理器进行描述的，但在移动装置4中也可以使用其它形式的嵌入式处理器或控制器。
DSP30将接收自辅助服务器10的起点周时(TOW)信息传递给基准信号产生器31，其利用该TOW信息产生基准信号33，用于与存储器28中存储的GPS信号数据相关。基准信号产生器31可以由数字电路实现，或者采用数字信号处理器(DSP)30程序特征的形式。
图3是进一步说明移动装置4的操作的流程图。为加速捕获过程，移动装置4通过无线调制解调器32和RF天线34从辅助服务器10接收捕获辅助数据(42)。捕获辅助数据包括卫星8中每颗卫星的TOW信息，及可包括附加星历数据，诸如当前视野内的卫星8的卫星(S.V.)识别、时钟状态、系统时间、每颗卫星的多普勒频移、状态消息，等等。
为捕获P码GPS信号，移动装置4从卫星8接收GPS信号，并将该等信号的快照存储在存储器28中(44)。接着，移动装置4利用各个发射卫星8的TOW信息捕获每个P码信号。具体而言，基准信号产生器31根据捕获的当前卫星8TOW信息就地产生信号33，以携带基准P码序列(46)。换言之，信号33可以根据捕获的卫星8TOW信息携带P码序列的一个子集。例如，基准信号产生器31可以根据该TOW信息，在P码序列内选择一个初始时间偏移量，及产生P码序列的一个子集，该子集自初始时间偏移量改进或围绕初始时间偏移量。辅助服务器10可以一种基于时间的格式(如小时:分:秒)传递该TOW信息，也可以将该TOW信息作为P码序列内的一个码片偏移量进行传递。
用于捕获C/A码的传统系统使用的基准序列长度对应于序列码的一帧，即C/A码的1023个码片，与此传统系统不同，由基准信号33所携带的P码序列长度可能远远超出快照存储器28中存储的数据量。此外，DSP30可以根据灵敏度要求和一个与接收自辅助服务器10的TOW信息相关的初始时间不确定性数值调整存储器28中所存快照的尺寸。例如，在一些情况下，其可能就足以缓冲100ms的数据，但却使用长度为1秒或更长的基准信号33，其中1秒代表TOW信息的不确定性。
接着，数字信号处理器(DSP)30通过使基准信号33与存储器28中所存GPS信号的数字化快照的相关来为卫星计算时间偏移量(伪距)(47)。如下文所详述，数字信号处理器(DSP)30利用了快速傅里叶转换(FFT)算法，该算法通过执行在就地产生的基准信号33和存储器28中所存数据之间的大量相关运算来非常快速地计算出伪距。具体而言，FFT算法允许同时及并行搜索所有这些位置，因而当所需相关数量很大时，可以加速所需的运行过程，比传统方法快几个数量级。
如上所指出，存储器28捕获相应于一段相对较长时期的数字化数据流。利用快速卷积方法对这一大型数据区块进行高效处理有助于提高在低接收水平下(例如，当因为建筑物、树或其它障碍物的部分阻挡而使接收较差时)处理信号6的能力。数字信号处理器(DSP)30利用存储器28中这一相同的缓冲数据为可见GPS卫星8计算伪距，GPS卫星8通常是绕地球轨道运行的24颗卫星中的八颗。在信号振幅快速变化的情况下(如市区阻挡条件下)，与传统连续跟踪GPS接收器相比，所述方法可以提供改良的性能。
一旦数字信号处理器30为视野内卫星8的每一个完成了伪距计算(48)，它就根据为每颗卫星8所计算得出的伪距以及由辅助服务器10向移动装置4提供的星历信息来计算移动装置4的位置(49)。或者，数字信号处理器(DSP)30可以通过调制解调器32将该等伪距传递给辅助服务器10，该服务器提供一个最终位置计算。
图4是进一步说明为一颗给定卫星计算伪距的示范过程流程图。一旦得到了GPS信号的快照和来自辅助服务器10的捕获辅助信息，数字信号处理器(DSP)将所捕获的数据和产生的由信号33携带的基准PN码序列同步(50)。与C/A码捕获技术不同，为了直接捕获P码GPS信号，可能会要求数字信号处理器(DSP)30处理一定范围的码相位，其超出了一个数据位的长度。相应地，与首先捕获C/A码再捕获P码的传统GPS接收器不同，移动装置4直接由存储器28中所存的P码快照建立位同步。换言之，因为C/A码序列在一个单一数据位中重复多次，传统GPS接收器不需要为了捕获目的而关注位边沿同步。但是，在直接捕获P码中的一个困难就是出于各种实际原因，P码序列是非重复的。相应地，存储器28中所存被发射GPS信号的位周期在整个快照中重复数次，但没有重复码相位。
为了将存储器28中所存的数字化数据与基准信号产生器31所产生的码序列同步，数字信号处理器(DSP)30将一个时间不确定性数值与接收自辅助服务器10的TOW信息相关联。更具体地说，移动装置4将某些时间不确定性与接收自辅助服务器10的TOW信息相关联，数字信号处理器(DSP)30将该时间不确定性表示为一个时间间隔。由于一些因素(如辅助服务器10与移动装置4之间的通信延迟)的影响，接收自辅助服务器10的TOW可能与移动装置4的实际TOW不同。此外，对于不同的通信系统，它也会发生变化。例如，CDMA系统可能具有一个固有范围的时间延迟，而其它通信系统可能会具有不同的时间延迟。
一般说来，数字信号处理器(DSP)30根据所接收的TOW信息和时间不确定性使数字化GPS信号和基准信号33同步。具体而言，数字信号处理器(DSP)30首先为存储器28中所存数字化数据内的第一个位边沿估算一个位置。可以利用50比特/秒的数据传输来计算该等位边沿。相应地，从该周开始时算起，每20ms出现一个位边沿。给定一个10.23MHz的码片速率，每204600个码片出现一次位边沿。
数字信号处理器(DSP)30根据所做出的判定和时间不确定性，忽略储存器28中所存数字化数据开头的若干码片以及在由基准信号产生器31产生的PN码序列开头的若干码片，在第一个位边沿处或之前开始相关过程。这样，数字信号处理器(DSP)30利用自辅助服务器10传递过来的TOW信息和相关时间不确定性，就地产生一个基准P码序列，并使所产生的序列与在存储器28中所存的数据位同步。这样，数字信号处理器(DSP)30保证了在相关过程期间，为整个位周期中的码片维持正确极性。
图5说明了存储器28中所存数据快照的示例对准，假定TOW介于自例行当前TOW te的0至δ秒内，并假定δ相对很小(小于一个数据位)。换言之，δ代表自辅助服务器10接收到的TOW相对于由移动装置4所接收P码GPS信号的实际TOW的时间不确定性。
如图所示，te+δ代表在快照起点处的码相位，t0代表快照内的第一个位边沿。假定已经产生一个在时间te+δ开始的PN序列，如图5中所示的假设，数字信号处理器(DSP)30在开始存储器28以及开始PN序列(如刚定义的那样)时忽略若干样本，这些样本对应于从te+δ到t0的时间。一种等价的方法是在时间t0开始该PN序列(符合并由m的初始位边界限定)，及通过将一些等价于时间间隔te+δ-t0的样本编入原始数据缓冲序列而产生一个新的缓冲。这些技术保证了PN序列总是具有一个数据位之内的样本。
为了处理延迟te+δ到te+2δ的数据，这些技术在开始快照和PN基准时删除一些样本，其等于从te+2δ到t0的时间。同样，数字信号处理器(DSP)30可以在时间t0开始PN基准，并向存储器28中编入等于te+2δ-t0的一些样本。可以按照类似过程处理下一个延迟范围te+2δ至te+3δ，以及尺寸为δ的后续范围。
再次参考图4，在使所捕获数据与所产生的基准PN码序列同步之后(50)，数字信号处理器(DSP)30，例如，可通过乘以一个多普勒载波校正指数对载波执行多普勒校正(52)。接下来，数字信号处理器(DSP)30利用FFT运算实施匹配滤波。在此过程中，数字信号处理器(DSP)30，例如，可通过乘以一个多普勒载波校正指数对基带信号执行多普勒校正(54)。
一般情况下，该相关过程数字信号处理器(DSP)30对多个多普勒假设(“频率接收器”)执行多普勒搜索，以确定一个峰值。例如，辅助服务器10可以给出一颗卫星的1000 Hz多普勒指示(indication)。基于该多普勒指示，数字信号处理器(DSP)30分配一个频率增量，如50HZ，这将有效地在载波频率周围建立许多频率接收器。数字信号处理器(DSP)30对该等频率接收器执行相关运算，直到检测到一个峰值。
对于每个接收器，数字信号处理器(DSP)30将基准信号33和存储器28中的快照数据分为L个区块，其中最大区块的尺寸小于数据位周期(204600个P码码片)加上所接收TOW相对于P码GPS信号实际TOW的估算时间不确定性。数字信号处理器(DSP)30对每个区块执行匹配滤波运算，以确定存储器28中所包含快照数据与基准信号33所携带PN码序列之间的相对定时。同时，数字信号处理器(DSP)30可以补偿对采样时间的多普勒频移影响。数字信号处理器(DSP)30可以通过应用目前所述FFT算法的快速卷积运算来极大地缩短这些运算的计算时间。
对于每个区块，数字信号处理器(DSP)30计算快照数据的FFT和基准信号33的FFT。数字信号处理器(DSP)30在进行多普勒校正之后，将快照与基准信号的复共轭相乘。当时间偏移量等于GPS信号的相对延迟时，假定在对应于两个序列的延迟时发生，此结果有一个相关峰值。数字信号处理器(DSP)30为相关延迟集合计算数据的大小，并对许多积分区块的大小进行求和，也称作后检测和个数。
如图6所示，数字信号处理器(DSP)30通过对长度为N的数据区块求卷积来执行FFT，其中N为存储器28中所存快照数据的长度，它由数字信号处理器(DSP)30根据与接收自辅助服务器10的TOW信息相关的时间不确定性数值设定。数字信号处理器(DSP)30以N-M个零对基准信号的区块进行补零，其中M代表位周期。这样，对基准区块所补零的长度就是与TOW相关的时间不确定性的函数。
此外，数字信号处理器(DSP)30以一种重叠保存方法将超出每个位边界的数据加到前一个区块，如图6所示，其中M等于非零基准P码码片的个数，N等于FFT尺寸，通常为218＝262144个码片，B等于数据位尺寸——204600个P码码片。如下所述，通常M≤B。
例如，如果R(0)是PN码对应于时间t0的数值，D(0)是存储器28中第一个数据字，如前所述当对准第一个位边沿时，数字信号处理器(DSP)30执行以下程序对第一个数据区块求卷积Ref Block 0＝[R(0，1，2，…，M-1)Zeros(1，N-M)]，其中M＜NData Block 0＝D(0，1，2，…，N-1)。
为提高灵敏度，数字信号处理器(DSP)30对接下来的L个(重叠)数据区块求卷积，计算大小，并将这些大小与以前数据区块求和Ref Block 1＝[R(B+
)Zeros(1，N-M)]Data Block 1＝D(B+
)……对L个数据区块继续此运算。
Ref Block L-1＝[R(j×B+
) Zeros(1，N-M)]Data Block L-1＝D(j×B+
)， 其中j＝2，3，...L-1输出数据的尺寸为N，但是因为重叠保存卷积的特性，只有前N-M个样本(或“延迟”)中没有包括由圆周卷积得到的混淆项(alias term)。通常，数字信号处理器(DSP)30仅保留这些项。当偏移基准序列与数据序列的相对定时，重复整个过程可以确定其它延迟。
应注意，因为仅处理了20ms中的M/10.23×106s，所以可能会丢失一些处理。这是因为基准信号的M个非零样本，它们与每个数据位的前M个样本相对应(总数据位尺寸为204600)。相对于在某一时间处理所有数据位的情况，其结果是可能会损失大约10log(M/204600)dB的灵敏度。
可以通过几种方法来克服这一损失。如果在进行幅度平方运算之前执行两次卷积(而不是对以上的每一步执行一次卷积)，及将结果相加，那么可以获得额外能量。第二次卷积可以利用改变后的基准信号和数据区块。第一组基准信号和数据区块的处理过程以确定在左侧的M个基准样本和N个数据样本开始，如图6所示，在此称作卷积OA。卷积OB消除了以上损失，及利用在位周期0的渐变周期结束时开始的基准数据，在位周期0的结束时结束。
换言之，204600的数据样本M(总数为B-M，B＝204600)将被补充N+M-B个零值样本，以产生N个总基准样本。此数据区块将利用在时间M开始的缓冲数据，及包括N个总样本。然后将卷积0B的结果加到0A的结果上。利用204600个样本的整个数据位周期，此结果给出了完整的卷积。再次提请注意，为了避免时间混淆曲解，通常仅保存这个卷积的前N-M个样本。
一种效率可能更高的方法是利用尺寸为204600的FFT。在此技术中，渐变周期(shaded period)M将与位周期B相同。这一方法省去对一个位周期内的所有数据执行两次卷积的必要。但是，实施这种非标准尺寸可能比执行基数2FFT更为复杂。
而另一种方法可以是以较低的速率对数据进行采样，以便M个数据样本等于一个位周期。但是，这样由于带宽变窄而可能导致损失一些灵敏度。或者，对于等于一个数据位的尺寸，可以用此速率的两倍速率对数据进行采样，然后再执行FFT。但是，这一方法所需要的计算时间和存储容量可能都会增加。
再次参考图4，在应用匹配滤波运算之后，数字信号处理器(DSP)30执行峰值检测(56)，以确定所捕获卫星的时间偏移量(58)。具体而言，数字信号处理器(DSP)30计算自FFT技术所提取的M个样本的大小，然后将这些大小加到一个正在运行的缓冲中。数字信号处理器(DSP)30继续这一过程，其次数等于后检测和的数目。应注意，FFT产生N个输出样本，但是由于基准区块补零的原因，处理增益实际上是M的函数。然后数字信号处理器(DSP)30计算正在运行缓冲的均值，并从自身缓冲中减去。接下来，数字信号处理器(DSP)30计算RMS噪声，正在运行缓冲中设定的一个阈值等于该RMS的k倍。数字信号处理器(DSP)30可以选择该阈值，以避免出现噪声尖峰可能大于阈值的情况，这种情况通常被称作“虚警”。
图7是当与接收自辅助服务器10的TOW相关的时间不确定性较大时，即当时间不确定性超过了一个数据位周期M时示例捕获过程的流程图。如上所述，基准信号产生器31利用捕获辅助数据就地产生一个包含基准伪随机码的信号33(60)，并通过使基准信号33与GPS信号的数字化快照的相关来检测峰值(62)。如上所述，对于每颗卫星，数字信号处理器(DSP)30在多个多普勒“接收器”上执行多普勒搜索，以确定一个峰值。例如，辅助服务器10可以给出一颗卫星的1000Hz多普勒指示。基于此多普勒指示，数字信号处理器(DSP)30分配一个频率增量，如50HZ，这将有效地围绕载波频率建立许多频率接收器。
如果在所有多普勒假设上均未检测到峰值(64)，数字信号处理器(DSP)30将通过将基准P码相对于所储存的快照数据“滑动”N-M个码片来执行一个附加搜索，其中N代表区块尺寸，M代表位周期(70)。在滑动该基准P码后，数字信号处理器(DSP)30重复该组卷积运算，以确定是否可以在任何接收器中找到一个峰值(62)。如果在所有多普勒假设中均未检测到峰值，就继续移动基准P码，直到所有时间不确定性范围被耗尽(66)。应注意，对于基准P码的每一次滑动，数字信号处理器(DSP)30如前所述的那样将快照重新同步至下一个数据位边界。数字信号处理器(DSP)30持续此过程，直到搜索了所有卫星(74)，及计算出最终位置(76)。
图8是一个说明用于捕获多颗卫星的自适应捕获过程的流程图。如上所述，基准信号产生器31就地产生信号33(80)，并通过使基准信号33与GPS信号数字化快照相关来检测峰值(82)。
如上所述，对于每颗卫星，数字信号处理器(DSP)30搜索多个多普勒“接收器”，以确定一个峰值。为了减少所搜索接收器的数目，数字信号处理器(DSP)30首先利用一个较短的积分时间来搜索该等卫星之一，例如一个被辅助服务器10指示位于头顶上方的卫星。对于此卫星和积分时间，如上所述，数字信号处理器(DSP)30对一组多普勒接收器中的每一个执行搜索。例如，数字信号处理器(DSP)30可以在一个中间接收器开始搜索，并向外进行，直到搜索完所有的接收器(例如，接收器频率偏移量0、偏移量-50Hz、偏移量+50Hz、偏移量-100Hz，偏移量+100Hz，等等)。每次搜索将自基于FFT的匹配滤波器运算中产生一组输出。如果任何输出超过了一个检测阈值(84)，数字信号处理器(DSP)30将表明一个初步检测，并存储该检测结果，如当前的多普勒频移、时间偏移量，等等(88)。当确定一个检测后，数字信号处理器(DSP)30检验相邻多普勒频移的测量，以确定是否发现对这些偏移量的检测，以及当前多普勒的信号强度是否相对于相邻多普勒最大，以此来判断该检测是否有效(90)。如果发现了这样一个最大值，并且输出信噪比(SNR)的测量足够高，以致产生良好地伪距测量结果，例如，SNR高于一个阈值，那么数字信号处理器(DSP)30结束对该给定卫星的处理。
如果没有找到检测(没有90的分支)，那么数字信号处理器(DSP)30为该给定卫星使用一个较长的积分时间，并重复此过程，直到检测到一个峰值，或者直到达到最大积分时间(92)。
一旦捕获一颗卫星，数字信号处理器(DSP)30利用该卫星的实际多普勒信息缩小后续卫星的搜索空间。具体而言，在捕获一颗卫星之后，数字信号处理器(DSP)30将所捕获卫星的多普勒频移作为一个初始频率偏移量。这是利用了以下事实特定的误差源(如本振漂移)对于多颗卫星信号的处理可能是相同的。于是，利用类似于搜索第一颗卫星信号的方式搜索第二颗卫星的信号，及如果所做出的检测具有合适的输出信噪比(SNR)，那么就结束对此卫星的处理。如果对多颗卫星做出检测，那么可以使用它们多普勒频移的均值或加权值(以信噪比(SNR)为权值)来初始化对其它卫星的多普勒搜索。数字信号处理器(DSP)30持续此过程，直到搜索到所有卫星(94)，并计算出最终位置(96)。
举例说明，如果初始搜索时间为50ms，为该卫星所确定的多普勒频移为0，那么数字信号处理器(DSP)可能只需要通过搜索三个多普勒假设(接收器)，即当前接收器和两个相邻接收器就可以实现此结果。将此结果与一个利用1秒积分时间和9次多普勒进行的搜索对比，于是搜索时间的缩短结果等于1s/50ms×9bins/3bins，其等于减少了60∶1的计算数目。此外，即使是对于较弱的卫星信号，正确初始化多普勒频移也可以大体上节省处理时间。
作为一种变化，数字信号处理器(DSP)30可以在增加积分时间之前对所有多普勒和所有卫星搜索一给定积分时间。当没有关于哪些卫星信号为较佳(例如对应于天空中更高卫星的信号)的先验(priori)知识时，，这一点可能非常有利。或者，一旦对卫星、多普勒和积分时间的一个给定组合做出了检测，那么可以对该给定卫星和多普勒增加积分时间，直到信噪比(SNR)超出一个阈值，这表示足够的伪距精度。于是，数字信号处理器(DSP)30可以类似地通过改变积分时间来分析该卫星的相邻多普勒。因为可以在不需要附加存储并且不会损失先前处理过数据的情况下增大积分时间，所以这一方法可能是有优势的。
已经描述了本发明的各种具体实施例。这些与其它具体实施例包括在权利要求的范围中。
权利要求
1.一种方法，其包括从一个辅助服务器接收捕获辅助数据；及根据所述捕获辅助数据为与来自一颗卫星的信号相关的P码伪随机码序列确定一个时间偏移量。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据所述时间偏移量确定移动装置的一个位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述捕获辅助数据包括指示所述P码序列的一个初始时间偏移量的起点周时数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其中一个时间偏移量的确定包括根据接收自所述辅助服务器的起点周时信息就地产生一个基准伪随机码序列。
5.根据权利要求4所述的方法，其中一个基准伪随机码序列的产生包括产生所述基准伪随机码序列，用以包括所述P码序列中的在所述初始时间偏移量开始的连续伪随机码。
6.根据权利要求4所述的方法，进一步包括数字化所述信号，以产生一个数字数据流；缓冲一定量的数字数据；及使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括根据一个与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的时间不确定性数值设定缓冲的数字数据量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述不确定性数值包括一个预定的不确定性数值。
9.根据权利要求6所述的方法，其中使所述缓冲数字数据同所述就地产生的基准码序列相关之步骤包括使所述数字数据与所述基准伪随机码序列同步。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使所述数字数据与所述基准伪随机码序列同步包括估算存储器内所存数字数据内的一个第一位边沿；及根据所估算的第一位边沿和与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，忽略所述数字数据内的若干码片和所述基准伪随机码序列内的若干码片。
11.根据权利要求6所述的方法，其中使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关之步骤包括将所述基准码序列和数字数据分为尺寸为N的区块，其中区块的尺寸N小于与所述信号相关的数据位周期M加上与所接收的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值。
12.根据权利要求6所述的方法，其中将所述基准码序列和所述数字数据分为多块包括自所述基准码序列形成具有M个码片和N-M个补零的区块。
13.根据权利要求6所述的方法，其中使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列的相关包括对所述区块中的每一个区块都应用一次匹配滤波运算，以产生一个具有相对于所述基准码序列的一个时间偏移量的相关峰值。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括当所述相关峰值低于一个峰值阈值时，将所述基准码相对于所述信号的数字数据滑动N-M个码片，其中N代表区块尺寸，M代表位周期；及重复所述匹配滤波运算。
15.根据权利要求13所述的方法，其中将所述基准码相对于所述数字数据滑动包括重复滑动所述基准码，并执行所述相关过程，直到为所述基准码所移动的码片总数目超出一个与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的时间不确定性数值。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括对多个多普勒假设执行一次多普勒搜索，以便为所述信号确定一个多普勒频移；及将所述多普勒频移作为捕获来自后续卫星的信号的一个初始频率偏移量。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括利用一个第一积分时间，对一组多普勒接收器(doppler bins)中的每一个执行多普勒搜索，以产生一组输出；及当根据这组输出没有检测到有效峰值时，增大所述积分时间并重复所述过程。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括当所述输出中的任意一个超出一个检测阈值时，表明一个初步检测；储存与所述初步检测相关的一个当前多普勒频移；及通过检测当前多普勒接收器的相邻多普勒接收器的输出来验证所述初步检测。
19.根据权利要求18所述的方法，其中验证所述初步检测包括检验所述相邻多普勒频移的输出，以确定当前多普勒频移的信号强度相对于相邻多普勒频移是否为最大。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述捕获辅助数据包括自一个移动装置对视野内卫星的识别、所述卫星的起点周时数据、所述卫星的多普勒信息、频率同步信息和该卫星的位置信息。
21.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述时间偏移量传递向所述辅助服务器；及从所述辅助服务器接收位置数据。
22.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据所述时间偏移量计算一个位置。
23.一种方法，包括从一个辅助服务器接收捕获辅助数据，其中所述捕获辅助数据识别一组卫星，并包括起点周时数据，起点周时数据指明所述卫星中每颗卫星的P码伪随机码序列的初始时间偏移量；接收来自所述卫星的信号；数字化所述信号，以产生一个数字数据流；缓冲一定数量的数字数据；根据所述卫星的个别初始时间偏移量就地为所述卫星产生基准P码伪随机码序列；使所述数字数据与所述基准码序列的相关，以确定具有个别时间偏移量的相关峰值；及根据所述时间偏移量为一个移动装置确定一个位置。
24.根据权利要求23所述的方法，其中使所述数字数据与所述就地产生的基准码序列的相关包括估算存储器内存储的数字数据内的一个第一位边沿；及根据所估算的第一位边沿和与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，忽略所述数字数据内的若干码片和所述基准伪随机码序列中每一序列内的若干码片。
25.根据权利要求22所述的方法，其中使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关之步骤包括将所述基准码序列和数字数据分为尺寸为N的区块，其中区块的尺寸N小于与所述信号相关的数据位周期M加上与所接收的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，并且其中所述基准码序列的区块具有M个码片和N-M个补零。
26.根据权利要求23所述的方法，其中使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关之步骤包括对所述区块中的每一个都执行一次匹配滤波运算，以产生一个具有相对于所述基准码序列的一个时间偏移量的相关峰值。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括当一个给定卫星的相关峰值低于一个峰值阈值时，将一给定卫星的基准码相对于所述信号的数字数据滑动N-M个码片，其中N代表区块尺寸，M代表位周期；及对所述给定卫星重复所述匹配滤波运算。
28.根据权利要求27所述的方法，其中相对于所述数字数据滑动所述基准码包括重复滑动所述基准码，并执行所述匹配滤波运算，直到对所述基准码所移动的码片总数目超出一个与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的时间不确定性数值。
29.根据权利要求23所述的方法，进一步包括利用一第一积分时间，对一组多普勒假设中的每一个执行多普勒搜索，以便为所述信号中的第一个产生一组输出；及当所述输出中的任意一个超过一个检测阈值时，表明一个初步检测；储存与所述初步检测相关的一个当前多普勒频移；通过检测所述相邻多普勒频移的输出验证所述初步检测，以确定当前多普勒频移的信号强度相对于相邻多普勒频移是否为最大；及将所述多普勒频移作为捕获来自后续卫星的信号的一个初始频率偏移量。
30.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述时间偏移量传递给所述服务器；及从所述服务器接收位置数据。
31.根据权利要求23所述的方法，进一步包括对多个多普勒假设执行一次多普勒搜索，为所述信号中的第一个信号确定一个多普勒频移量；及将所述多普勒频移量作为一个初始频率偏移量，用于对所述其它卫星中的至少一个执行一次多普勒搜索。
32.一种方法，包括从服务器接收捕获辅助数据；及根据所述捕获辅助数据直接捕获来自一颗卫星的P码信号，而不用首先捕获来自所述卫星的C码信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述捕获辅助数据包括指示所述P码信号的一个初始时间偏移量的起点周时数据。
34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括根据从所述辅助服务器接收的起点周时数据就地产生一个基准伪随机码序列。
35.根据权利要求34所述的方法，其中直接捕获所述P码信号包括根据所述起点周时数据使所述P码信号与所述就地产生的基准码序列的相关。
36.一种系统，包括一个辅助服务器，用于跟踪来自一个全球定位系统(GPS)卫星的一个信号，并由所述信号产生捕获辅助信息；及一个移动装置，用以接收来自所述辅助服务器的捕获辅助数据，并根据所述捕获辅助数据捕获来自所述卫星的一个P码信号。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述捕获辅助数据包括指示一个P码伪随机码序列中的一个初始时间偏移量的所述卫星起点周时数据。
38.根据权利要求37所述的系统，其中所述移动装置包括一个基准信号产生器，用于根据所述起点周时数据就地产生一个基准伪随机码序列。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述移动装置根据所述捕获辅助信号使所述信号与所述基准伪随机码序列的相关，以确定所述信号相对于所述码序列的一个实际时间偏移量。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述移动装置存储与所述起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，并根据所述时间不确定性数值使所述信号与所述基准伪随机码的相关。
41.根据权利要求36所述的系统，其中所述辅助服务器耦合到一个蜂窝通信系统的基站。
42.根据权利要求36所述的系统，其中所述辅助服务器追踪一个C/A码信号，并自所述C/A码信号产生所述辅助信息。
43.根据权利要求36所述的系统，其中所述辅助服务器追踪一个P码信号，并自所述P码信号产生所述辅助信息。
44.一种设备，包括一根天线，用于接收来自一颗卫星的一个信号；一个无线调制解调器，用于接收来自一个辅助服务器的捕获辅助数据；一个基准信号产生器，用于根据所述捕获辅助数据产生一个基准伪随机码序列；及一个处理器，用于根据所述捕获辅助数据为与所述信号相关的一个P码伪随机码序列确定一个时间偏移量。
45.根据权利要求44所述的设备，其中所述处理器根据所述时间偏移量确定一个移动装置的位置。
46.根据权利要求44所述的设备，其中所述捕获辅助数据包括指示P码序列的一个初始时间偏移量的起点周时数据。
47.根据权利要求44所述的设备，进一步包括一个模数转换器，用于自所述GPS信号产生一个数字数据流；及一个媒体，用于缓冲一定数量的所述数字数据。
48.根据权利要求47所述的设备，其中所述处理器根据一个与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的时间不确定性数值设定缓冲数字数据的量。
49.根据权利要求47所述的设备，其中所述处理器使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关，用以为所述信号确定一个相关峰值。
50.根据权利要求47所述的设备，其中所述处理器使所述数字数据与所述基准伪随机码序列同步。
51.根据权利要求50所述的设备，其中所述处理器通过对存储于存储器中的数字数据中的第一位边沿的估算使所述数字数据与所述基准伪随机码同步，并根据所估算的第一位边沿和与接收自所述辅助服务器的起点周时信号相关的一个时间不确定性数值，忽略所述数字数据中的若干码片和所述基准伪随机码序列中的若干码片。
52.根据权利要求47所述的设备，其中所述处理器将所述基准码序列和所述数字数据分为尺寸为N的区块，其中所述区块尺寸N小于与所述信号相关的一个数据位周期M加上与所接收起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，并使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列的相关，以确定一个相关峰值。
53.根据权利要求52所述的设备，其中所述处理器从所述基准码序列形成具有M个码片和N-M个补零的区块。
54.根据权利要求52所述的设备，其中所述处理器在所述相关峰值低于一个峰值阈值时，将所述基准码相对于所述信号的数字数据滑动N-M个码片，其中N代表所述区块尺寸，M代表所述位周期；并重复所述匹配滤波运算。
55.根据权利要求54所述的设备，其中所述处理器重复滑动所述基准码并执行所述相关过程，直到所述基准码的移动的码片总数超出与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值。
56.根据权利要求44所述的设备，其中所述处理器对若干多普勒假设执行多普勒搜索，用以为所述信号确定一个多普勒频移，并将所述多普勒频移用作捕获来自后续卫星的信号的初始频率偏移量。
57.根据权利要求56所述的设备，其中所述处理器利用一个第一积分时间对一组多普勒接收器中的每一个执行多普勒搜索，以产生一组输出，及当根据该组输出未检测到有效峰值时，增大积分时间并重复所述过程。
58.根据权利要求57所述的设备，其中所述处理器在所述输出中的任何一个大于一个检测阈值时表明一个初步检测，存储与所述初步检测相关的当前多普勒频移，并通过检验相邻多普勒频率的输出来验证所述初步检测的有效性。
59.根据权利要求44所述的设备，其中所述捕获辅助数据包括一个移动装置视野内卫星的识别、所述卫星的起点周时数据、所述卫星的多普勒信息、频率同步信息，及所述卫星的位置信息。
60.根据权利要求44所述的设备，其中所述处理器包括一个数字信号处理器(DSP)。
61.一种计算机可读媒体，包括指令，用于使一个可编程处理器从一个辅助服务器接收捕获辅助数据；及根据所述捕获辅助数据为与来自一颗卫星的信号相关的P码伪随机码序列确定一个时间偏移量。
62.根据权利要求61所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器根据所述时间偏移量确定一个移动装置的位置。
63.根据权利要求61所述的计算机可读媒体，其中所述捕获辅助数据包括指示P码序列的一个初始时间偏移量的起点周时数据。
64.根据权利要求63所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器根据接收自所述辅助服务器的起点周时数据就地产生一个基准伪随机码序列。
65.根据权利要求63所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器根据与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，设定用来代表所述信号的缓冲数字数据量。
66.根据权利要求64所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器估算存储器内所存数字数据中的一个第一位边沿；及根据所估算的第一位边沿和与接收自所述辅助服务器的起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，忽略所述数字数据内的若干码片和所述基准伪随机码序列内的若干码片。
67.根据权利要求64所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器将所述基准码序列和所述数字数据分为尺寸为N的区块，其中所述区块尺寸N小于与所述信号相关的一个数据位周期M加上与所接收起点周时信息相关的一个时间不确定性数值，并使所述缓冲数字数据与所述就地产生的基准码序列相关，以确定一个相关峰值。
68.根据权利要求67所述的计算机可读媒体，其中所述指令使所述处理器自所述基准码序列形成具有M个码片和N-M个补零的区块。
69.根据权利要求67所述的计算机可读媒体，所述指令使所述处理器在所述相关峰值低于一个峰值阈值时，将所述基准码相对于所述信号的数字数据滑动N-M个码片，其中N代表所述区块尺寸，M代表所述位周期；并重复所述匹配滤波运算。
70.根据权利要求69所述的计算机可读媒体，所述指令使所述处理器重复滑动所述基准码并执行所述相关过程，直到所述基准码的滑动码片总数超出与接收自所述辅助服务器起点周时信息相关的一个时间不确定性数值。
全文摘要
一般情况下，本发明是关于不需要首先捕获C/A码而直接捕获P码的技术。例如，在一个具体实施例中，一个系统包括一个辅助服务器，用于跟踪来自一颗全球定位系统(GPS)卫星的P码信号，并由所述信号产生捕获辅助信息。所述系统进一步包括一个移动装置，用以接收来自所述辅助服务器的捕获辅助数据，并根据所述捕获辅助数据捕获来自所述卫星的P码信号。所述捕获辅助数据可以包括起点周时(time－of－week)数据，用以为卫星指示一个P码伪随机码序列的初始时间偏移量。所述移动装置可以包括一个基准信号产生器，用于根据所述起点周时数据就地产生一个基准伪随机码序列。
文档编号G01S1/00GK1695069SQ03803346
公开日2005年11月9日 申请日期2003年2月7日 优先权日2002年2月8日
发明者安东尼·莫罗, 诺曼·F·克拉斯纳 申请人:高通股份有限公司