同步导航电文的方法、接收机及装置制造方法
【专利摘要】一种同步导航电文的方法、接收机及装置。该同步导航电文的方法包括下列步骤：估算导航设备和接收机之间的距离，其中接收机从导航设备接收导航电文；根据导航设备和接收机之间的距离，确定导航设备发送导航电文的发送时间；根据导航电文的发送时间计算同步信息，其中同步信息用于同步导航电文。与现有技术相比，本发明提供的同步导航电文的方法、接收机及装置，能够不需匹配子帧头，快速同步导航电文，减少首次定位时间，提高TTFF性能。
【专利说明】同步导航电文的方法、接收机及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种卫星导航技术，特别涉及一种同步导航电文的方法、接收机及装置。
【背景技术】
[0002]卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS 系统)是一种用于在全球范围内自动提供地理空间定位的系统。这种系统使得小型电子接收机通过时间信号将其位置(经度、纬度和高度)确定在几米的范围内，该时间信号以无线电波的形式按时间从卫星传输到接收机上。接收机计算精确的时间以及位置，所计算的时间和位置信息作为导航的数据基础。
[0003]现有的导航系统，比如全球定位系统(Global Positioning System,简称GP S系统)和北斗(又称罗盘)导航系统，需要从导航卫星获取导航电文的精确发送时间，该发送时间可以根据子巾贞周内时间(Time Of Week,简称TOW)和子巾贞内导航比特计数值(bit count,简称bitcnt)来计算。导航电文的发送时间Ts可以通过以下公式(I)计算得出:
[0004]Ts=T0ff+bitcnt X cycle+Th (I)
[0005]其中，cycle表示子巾贞内导航比特计数值bitcnt的更新周期,对于GPS系统来说该更新周期为20ms ；Th为更高精度的测量值。GPS系统中导航电文的信息结构为由5个子帧构成的1500bit长的主帧基本格式(也称页)，每一个子帧包含300bit (每个子帧长度为6秒)。GPS卫星的子帧周内时间TOW—个子帧更新一次，子帧内导航比特计数值bitcnt表示定位时刻收到最后一个导航比特(即当前比特)在一个TOW更新周期内的偏移量。因此在GPS系统中，子帧内导航比特计数值bitcnt的数值范围为0-299。GPS系统中，子帧同步完成后，就能获得子帧周内时间TOW和子帧内导航比特计数值bitcnt。
[0006]在传统技术中，通过在导航数据流中逐一匹配子帧头来完成子帧同步。例如，在GPS系统中，每个子帧的前N位为子帧头。传统的子帧同步方法是在导航数据流中匹配子帧头，一旦匹配成功，则进一步校验子帧中相同的字中的奇偶校验位。一旦校验通过，则卫星和接收机间的子帧同步完成，然后接收机开始对随后接收的导航电文进行子帧内导航比特计数。当累计满一个TOW更新周期(例如，300bits)后，bitcnt重新开始计数。
[0007]然而，现有的子帧同步方法中，由于需要匹配子帧头，在某些情况下，子帧同步会耗费大量时间。在GPS系统中，每个子帧长度为6s。如果当前的子帧头丢失，为了匹配下一个子帧头，接收机要等待6s直到接收到下一个子帧。此外，现有的方法中，在子帧头匹配后，需要校验奇偶校验位。在卫星接收到的信号较弱的情况下，校验奇偶校验位会较困难，从而，进一步增加了子巾贞同步的时间以及接收机首次定位的时间(Time To First Fix,简称 TTFF)。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题在于提供一种同步导航电文的方法、接收机及装置，能够不需要匹配子帧头，快速地同步导航电文，减少接收机首次定位时间，提供TTFF性能。
[0009]本发明提供了一种同步导航电文的方法，该方法包括下列步骤:估算导航设备和接收机之间的距离，其中接收机从导航设备接收导航电文；根据导航设备和接收机之间的距离，确定导航设备发送导航电文的发送时间；根据导航电文的发送时间计算同步信息，其中同步信息用于同步导航电文。
[0010]本发明还提供了一种同步导航电文的接收机，该接收机包括电文同步模块和同步信息存储器，电文同步模块包括距离计算器、发送时间计算器和同步信息计算器。距离计算器估算导航设备和接收机之间的距离，其中接收机从导航设备接收导航电文；发送时间计算器根据导航设备和接收机之间的距离，确定导航设备发送导航电文的发送时间；同步信息计算器根据导航电文的发送时间计算同步信息，其中同步信息用于同步导航电文。
[0011]本发明还提供了一种同步导航电文的装置，该装置包括:距离计算器、发送时间计算器和同步信息计算器。距离计算器，用于估算导航设备和接收机之间的距离，其中所述接收机从所述导航设备接收所述导航电文；发送时间计算器，用于根据所述导航设备和所述接收机之间的距离，确定所述导航设备发送所述导航电文的发送时间；同步信息计算器，用于根据所述导航电文的发送时间计算同步信息，其中所述同步信息用于同步导航电文。
[0012]本发明提供的同步导航电文的方法、接收机及装置，能够不需匹配子帧头，快速同步导航电文，减少首次定位时间，提高TTFF性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
[0014]图1所示为根据本发明一个实施例的导航电文同步系统的结构示意图；
[0015]图2所示为根据本发明一个实施例的图1所示接收机的导航处理单元的结构示意图；
[0016]图3所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元的一种同步导航电文的方法流程图；
[0017]图4所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元的另一种同步导航电文的方法流程图；
[0018]图5所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元中的第一快速电文同步模块的结构示意图；
[0019]图6所示为根据本发明一个实施例的图5所示第一快速电文同步模块的一种同步导航电文的方法流程图；
[0020]图7所示为根据本发明一个实施例的图5所示第一快速电文同步模块的另一种同步导航电文的方法流程图；
[0021]图8所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元中的第二快速电文同步模块的结构示意图；
[0022]图9所示为根据本发明一个实施例的图8所示第二快速电文同步模块的一种同步导航电文的方法流程图；
[0023]图10所示为根据本发明一个实施例的图8所示第二快速电文同步模块的另一种同步导航电文的方法流程图；
[0024]图11所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元中的第三快速电文同步模块的结构示意图；
[0025]图12所示为根据本发明一个实施例的图11所示第三快速电文同步模块的一种同步导航电文的方法流程图；
[0026]图13所示为根据本发明一个实施例的图11所示第三快速电文同步模块的另一种同步导航电文的方法流程图；以及
[0027]图14所示为根据本发明一个实施例的导航处理单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
[0029]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0030]根据本发明的实施例，公开了一种不需要匹配子帧头，快速同步导航电文的方法和装置。本发明公开的方法和装置可以减少首次定位时间TTFF和/或增加被捕获到的用于导航的导航卫星数量，从而改善导航性能。此外，本发明公开了三种不同的快速导航电文同步方法，以适应需要同步导航电文的各种情况，如接收机的热启动、重启、暂时性信号丢失、暂时性处理中断等等。接下来将从各个方面举例描述本发明的有益效果和新颖性，在以下描述中，本领域的技术人员可结合附图理解本发明技术方案的【具体实施方式】等等。
[0031]图1所示为根据本发明一个实施例的导航电文同步系统100的结构示意图。导航电文同步系统100可以是，例如:GPS系统、北斗(罗盘)系统或其他适用的系统。导航电文同步系统100可以包括接收机102和一个或多个导航设备(如卫星104)，其中卫星104将调制的导航信号传送至接收机102。导航电文可以通过码分多址(Code Division MultipleAccess,简称CDMA)或其他扩频技术进行编码，从而使得每个卫星根据各自不同的编码方法所获得的导航电文能够彼此相区别。
[0032]在这个实施例中，接收机102包括天线106、射频(Radio-Frequency,简称RF)前端108、基带处理单元110、导航处理单元112、本地时钟114和显示器116。接收机102可以是向用户提供当前位置信息和时钟信息的独立电子设备或集成在另一个设备上的模块，该另一个设备可以为但不限于一种便携设备，例如:智能电话、平板电脑、游戏机、计算机或车辆。天线106从卫星104接收经调制的RF信号后，RF前端108将该信号转换成频率适合于数字信号处理的信号。基带处理单元110可以包括一个或多个处理器，该处理器通过去除载波信号和粗捕获码(Coarse/Acquisition Code,简称C/A码)来提取从每个卫星104接收的导航电文。
[0033]在这个实施例中，导航处理单元112解码导航电文，并使用默认电文同步模块118和一个或多个快速电文同步模块120根据解码后的信息确定卫星位置和发送时间。解码后的信息包括:例如，卫星时钟、时钟关系、星历和历书等等。导航处理单元112还根据卫星位置和发送时间来计算接收机102的当前位置。接收机102中的本地时钟114为导航处理单元112提供本地参考时间。本地时钟114可以是与卫星时钟同步过的，以达到一个时间基准，例如，时间基准可精确到Ims。
[0034]图2所示为根据本发明一个实施例的图1所示接收机102的导航处理单元112的结构示意图。在这个实施例中，导航处理单元112包括默认电文同步模块118、第一快速电文同步模块202、第二快速电文同步模块204、第三快速电文同步模块206、切换模块208、同步信息存储器210和检查模块212。这里提到的“模块”、“单元”是指任意适合的可执行软件模块、硬件、可执行的硬件程序或能完成所需功能的任意组合，如可编程处理器、分立逻辑器件，如状态机等。
[0035]在这个实施例中，默认电文同步模块118根据导航电文头的匹配，在接收机102和一个或多个卫星104之间建立初始电文同步。在GPS系统中，如上所述，该初始电文同步通过子帧头匹配和奇偶校验位的校验来完成。在一个实施例中，一旦接收机102开机或重启，默认电文同步模块118通过现有技术中已知的方法建立初始电文同步。在这个实施例中，一旦建立初始电文同步，接收机102开始工作，与电文同步相关的信息存储在同步信息存储器210中。该信息包括:例如，卫星104的星历、计算得到的接收机102的当前位置、导航电文的发送时间(例如，子帧周内时间和导航比特计数)、与卫星时钟和本地时钟之间的时钟同步相关的信息(例如，时钟关系)、与本地时钟相关的信息、或其他任意适合的信息。在这个实施例中，即使是在热启动或重启后，信息仍会不断更新并保存在同步信息存储器210中。
[0036]在这个实施例中，第一快速电文同步模块202、第二快速电文同步模块204和第三快速电文同步模块206用于在初始电文同步中断情况下，从同步信息存储器210中获取与电文同步相关的信息，并根据所获取的信息，在接收机102和卫星104之间重新建立电文同步。初始电文同步可能是因为各种不同原因中断的，比如:热启动、重启、暂时性GPS信号丢失或暂时性中断处理。在不同原因导致的电文同步中断情况下，从同步信息存储器210中重新获取的可用信息是不同的。在这个实施例中，切换模块208根据初始电文同步中的可用信息来确定用哪一个快速电文同步模块重新建立电文同步最合适。如何选择合适的电文同步模块的细节将会在后面描述。一旦经由第一快速电文同步模块202、第二快速电文同步模块204和第三快速电文同步模块206中的一个模块重新建立电文同步后，检查模块212将检查同步信息的可靠性。在一个实施例中，如果从一个快速电文同步模块中获得的同步信息没有通过测试，则切换模块208会启用另一个快速电文同步模块来重新建立电文同步。通过了测试的同步信息(例如，子帧周内时间和导航比特计数)会存储在同步信息存储器210中。
[0037]图3所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元的一种同步导航电文的方法300的流程图。图3将结合图1和图2进行描述。需要说明的是，除了本发明的实施例公开的模块或单元，任意适合的模块或单元也可包括在本实施例中。首先，在步骤302中，通过导航电文头匹配(例如，GPS系统中的子帧头匹配)在接收机和导航设备(例如，卫星104)之间建立电文同步。接收机从导航设备接收导航电文。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的默认电文同步模块118完成。接下来，在步骤304中，检测已建立的电文同步是否中断。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的切换模块208完成。如果检测到电文同步中断，则执行步骤306，从接收机重新获取与电文同步相关的信息。在步骤308中，根据重新获取的信息，在接收机和导航设备之间重新建立电文同步。如上所述，步骤306和308可以由导航处理单元112的第一快速电文同步模块202、第二快速电文同步模块204和第三快速电文同步模块206中的一个模块完成。
[0038]图4所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元的另一种同步导航电文的方法400的流程图。图4将结合图1和图2进行描述。需要说明的是，除了本发明的实施例公开的模块或单元，任意适合的模块或单元也可包括在本实施例中。首先，在步骤402中，通过子帧头匹配完成卫星和接收机之间的初始电文同步。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的默认电文同步模块118完成。接下来，在步骤404中，存储从初始电文同步中获得的信息，该信息包括:例如，卫星104的星历、计算得到的接收机102的当前位置、导航电文的发送时间(例如，子帧周内时间和导航比特计数)、与卫星时钟和本地时钟之间的时钟同步相关的信息(例如，时钟关系)、与本地时钟相关的信息、或其他任意适合的信息。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的同步信息存储器210完成。在步骤406中，根据从初始电文同步中获取的可用信息，确定一种快速电文同步方法。换句话说，不同的快速电文同步方法可以适用于需要通过快速电文同步来重新建立电文同步的各种不同情况。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的切换模块208完成。在步骤408中，根据从初始电文同步中获取的可用信息，使用已确定的快速电文同步方法完成电文同步。这一步骤具体而言包括获取同步信息(例如，子帧周内时间和导航比特计数)。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112的第一快速电文同步模块202、第二快速电文同步模块204和第三快速电文同步模块206中的一个模块完成。在步骤410中，验证从快速电文同步获取的同步信息，以确保快速电文同步的可靠性。如上所述，这一步骤可以由导航处理单元112中的检查模块212完成。在步骤412中，一旦获取的同步信息通过验证，则更新该获取的同步信息并将其存储在同步信息存储器210中。
[0039]图5所示为根据本发明一个实施例的图2所示导航处理单元112中的第一快速电文同步模块202的结构示意图。在初始电文同步后，当卫星星历、接收机位置以及时钟同步信息均可用时，启用第一快速电文同步模块202。在一个实施例中，启用第一快速电文同步模块202可以减少接收机102热启动后的首次定位时间TTFF。在另一个实施例中，初始电文同步后，当接收机102移动到某些区域时，可能会出现GPS信号被遮挡或丢失的情况。一旦信号恢复，可以启用第一快速电文同步模块202，从而重新建立与上述情况下的卫星之间的电文同步。在这个实施例中，第一快速电文同步模块202包括距离计算器502、发送时间计算器504和同步信息计算器506。
[0040]在一个实施例中，距离计算器502用于根据卫星104的星历和接收机102的位置估算卫星104和接收机102之间的距离D。接收机102从卫星104接收导航电文。距离D可以通过下面的公式(2)计算:
_1] (2)
[0042]其中，Psv表示卫星104的位置，Pr表示接收机102的位置。
[0043]为计算该距离D，距离计算器502从接收机102的同步信息存储器210获取卫星104的星历以及接收机102的位置。如果接收机102是在移动的情况下，接收机102的当前位置会与存储在同步信息存储器210中的接收机位置不同。根据导航比特的长度，接收机位置的偏移量应该低于阈值，以启用第一快速电文同步模块202。换句话说，当启用第一快速电文同步模块202时，相对于上一次电文同步来说，接收机102不能移动得太远。在一个实施例中，当导航电文为2ms导航比特时，接收机位置的偏移量应低于200Km。在另一个实施例中，当导航电文为20ms导航比特时，接收机位置的偏移量应低于2000Km。
[0044]为了根据已存储的星历来估算卫星104的位置，需要使用卫星时钟。在一个实施例中，已经建立了卫星时钟和本地时钟114间的时钟同步。换句话说，卫星时钟和本地时钟114间的时钟关系是已知的。假设本地时钟114线性工作，为了计算卫星104的位置，可以利用本地时钟114来估算卫星时钟。
[0045]在一个实施例中，发送时间计算器504根据卫星104与接收机102之间的距离D来确定卫星104发送导航电文的发送时间Ts。发送时间Ts可以通过以下公式(3)来计算:
[0046]Ts=Tr-D/C (3)
[0047]其中，I；表示导航电文的接收时间，C为光速。因为本地时钟114已经与卫星时钟同步过，接收导航电文的本地时间可以作为公式(3)中的I；。导航电文从卫星104传送到接收机102的传送时间可以根据距离计算器502估算的距离D和光速C来计算。然后根据导航电文的传送时间和导航电文的接收时间I；计算导航电文的发送时间Ts。
[0048]在一个实施例中，同步信息计算器506根据导航电文的发送时间Ts计算同步信息。如上文所述，同步信息包括子帧周内时间TOW和导航比特计数Nnavbit，该同步信息可用于同步导航电文。首先，同步信息计算器506根据导航电文的发送时间Ts，通过以下公式(4)计算子帧周内时间T0W:
【权利要求】
1.一种同步导航电文的方法，其特征在于，所述方法包括: 估算导航设备和接收机之间的距离，其中所述接收机从所述导航设备接收所述导航电文； 根据所述导航设备和所述接收机之间的距离确定所述导航设备发送所述导航电文的发送时间；以及 根据所述导航电文的发送时间计算同步信息，其中所述同步信息用于同步导航电文。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导航设备包含卫星。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步信息包括子帧周内时间和导航比特计数。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收机的本地时钟已经与所述导航设备的时钟同步过。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述估算导航设备和接收机之间的距离的步骤进一步包括: 从所述接收机获取所述导航设备的星历； 根据所述导航设备的星历和所述接收机的本地时钟计算所述导航设备的位置； 从所述接收机获取所述接收机的位置；以及 根据所述导航设备的位置和所述接收机的位置估算所述导航设备和所述接收机之间的距离。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定所述导航设备发送所述导航电文的发送时间的步骤进一步包括: 从所述接收机的所述本地时钟获取所述导航电文的接收时间； 根据所述估算的所述导航设备和所述接收机之间的距离计算所述导航电文的传送时间；以及 根据所述导航电文的接收时间和所述导航电文的传送时间计算所述导航电文的发送时间。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算同步信息的步骤进一步包括: 根据所述导航电文的发送时间和子帧周内时间的更新周期计算所述子帧周内时间；以及 根据所述导航电文的发送时间、子帧周内时间和导航比特计数的更新周期计算所述导航比特计数。
8.一种同步导航电文的接收机，所述接收机包含电文同步模块和同步信息存储器，其特征在于，所述电文同步模块包括: 距离计算器，用于估算导航设备和接收机之间的距离，其中所述接收机从所述导航设备接收所述导航电文； 发送时间计算器，用于根据所述导航设备和所述接收机之间的距离确定所述导航设备发送所述导航电文的发送时间；以及 同步信息计算器，用于根据所述导航电文的发送时间计算同步信息，其中所述同步信息用于同步导航电文。
9.根据权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述导航设备包含卫星。
10.根据权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述同步信息包括子帧周内时间和导航比特计数。
11.根据权利要求8所述的接收机，其特征在于，所述接收机还包括本地时钟，所述本地时钟已经与所述导航设备的时钟同步过。
12.根据权利要求11所述的接收机，其特征在于，所述距离计算器进一步用于: 从所述接收机的所述同步信息存储器中获取所述导航设备的星历； 根据所述导航设备的星历和所述接收机的本地时钟计算所述导航设备的位置； 从所述接收机的所述同步信息存储器中获取所述接收机的位置；以及根据所述导航设备的位置和所述接收机的位置估算所述导航设备和所述接收机之间的距离。
13.根据权利要求11所述的接收机，其特征在于，所述发送时间计算器进一步用于: 从所述接收机的所述本地时钟获取所述导航电文的接收时间； 根据所述估算的所述导航设备和所述接收机之间的距离计算所述导航电文的传送时间；以及 根据所述导航电文的接收时间和所述导航电文的传送时间计算所述导航电文的发送时间。
14.根据权利 要求10所述的接收机，其特征在于，所述同步信息计算器进一步用于: 根据所述导航电文的发送时间和子帧周内时间的更新周期计算所述子帧周内时间；以及 根据所述导航电文的发送时间、所述子帧周内时间和导航比特计数的更新周期计算所述导航比特计数。
15.一种同步导航电文的装置，其特征在于，所述装置包括: 距离计算器，用于估算导航设备和接收机之间的距离，其中所述接收机从所述导航设备接收所述导航电文； 发送时间计算器，用于根据所述导航设备和所述接收机之间的距离确定所述导航设备发送所述导航电文的发送时间；以及 同步信息计算器，用于根据所述导航电文的发送时间计算同步信息，其中所述同步信息用于同步导航电文。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述导航设备包含卫星。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述同步信息包括子帧周内时间和导航比特计数。
18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述接收机的本地时钟已经与所述导航设备的时钟同步过。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述距离计算器进一步用于: 从所述接收机获取所述导航设备的星历； 根据所述导航设备的星历和所述接收机的本地时钟计算所述导航设备的位置； 从所述接收机获取所述接收机的位置；以及 根据所述导航设备的位置和所述接收机的位置估算所述导航设备和所述接收机之间的距离。
20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述发送时间计算器进一步用于: 从所述接收机的所述本地时钟获取所述导航电文的接收时间； 根据所述估算的所述导航设备和所述接收机之间的距离计算所述导航电文的传送时间；以及 根据所述导航电文的接收时间和所述导航电文的传送时间计算所述导航电文的发送时间。
21.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述同步信息计算器进一步用于: 根据所述导航电文的发送时间和子帧周内时间的更新周期计算所述子帧周内时间；以及 根据所述导航电文 的发送时间、所述子帧周内时间和导航比特计数的更新周期计算所述导航比特计数。
【文档编号】G01S19/13GK103675837SQ201210318474
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年8月31日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】邹景华, 苟娟, 苏衍荣 申请人:迈实电子(上海)有限公司