专利名称：用于卫星定位系统(sps)信号测量值处理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及卫星定位系统的领域，例如全球定位系统(GPS)接收机，以及更特别地涉及处理SPS信号。
背景技术：
全球定位系统(GPS)接收机通常通过计算信号到达的时间确定它们的位置，这些信号是从多个GPS(或NAVSTAR)卫星中同时发送的。这些卫星发送作为它们部分信息的卫星定位数据和时钟定时数据，所有叫作“天文历”数据。搜索和捕获GPS信号、读多个卫星的天文历数据以及从这些数据中计算出接收机位置的过程是消耗时间的，通常需要几分钟。在很多情况下，这么长的处理时间是不能接受的，此外，在小型化的便携式应用中它还大大地限制了电池的寿命。
GPS接收系统有两个主要功能。第一个是计算各种各样卫星的伪距，第二个是用这些伪距和卫星的定时和天文历数据计算接收机的位置。伪距只是本地时钟测量的卫星信号到达的时间。伪距的定义有时也叫作代码相位。一旦捕获或追踪到GPS信号就从中提取出卫星天文历和定时数据。如上所述，收集该信息通常需要相当长的时间(30秒到几分钟)，而且为了得到低差错率必须由较好的接收信号电平完成。
大部分GPS接收机利用相关法计算伪距。通常用硬件相关器实时执行这些相关法。GPS信号包括高重复率的信号叫作伪随机序列。民用的代码叫作C/A(粗略/捕获)代码，且具有1.023MHz的二进制反相率或“码片”率，以及对于每一毫秒的代码周期有1023片码片的重复期。该代码序列属于金代码(Gold code)族，每个GPS卫星发送一个信号连同一个唯一的金代码。
对于从给出的GPS卫星接收到的信号，在变成基带的下变频过程之后，相关接收机用适当金代码的已存复制品乘接收信号，该金代码包含在其本地存储器中，然后积分或低通滤波该结果，以得到有信号存在的指示。该过程叫作“相关”操作。通过按时调整与接收信号相关的已存复制品的相对定时，和观察相关输出，接收机能确定接收信号和本地时钟的延迟时间。对于该输出存在的初始确定叫作“捕获”。一旦发生捕获，该过程进入“追踪”阶段，其中为了保持高相关输出本地参考的定时要作很小的调整。追踪阶段的相关输出可以认为是移去伪随机代码的GPS信号，或者用一般的术语“去扩展”。该信号是窄带的，带宽相当于50bit每秒二进制移相键控(BPSK)数据信号，它叠加在GPS的波形上。
相关捕获过程很耗时，尤其在接收信号很弱时。为了改进捕获时间，大部分GPS接收机利用多个相关器(典型的接近36个)，它允许并行搜索相关峰值。
典型地将相关GPS接收装置设计成在开放空间接收GPS信号，因为卫星信号是直视形的，因此会被金属和其它材料挡住。改良的GPS接收机提供的信号灵敏度，允许室内跟踪GPS卫星信号，或者在存在很弱的多路径信号和全反射信号下跟踪。但是捕获这些弱信号的能力引起了其它问题。例如，同时追踪强弱信号可能使接收机锁定到一个不是真正信号的互相关信号。可能捕获一个较强的互相关峰值，而不是找出较弱的真正峰值。追踪一个较弱的卫星信号不能保证它是直接信号。该弱信号可能是反射信号或是直接信号和间接信号的组合。该组合信号被看做是多路径信号。反射信号的路径通常比直接信号的路径长。该路径长度的不同使反射信号到达时间的测量值被延迟了，或者使相应代码相位的测量值包含一个正向的偏移。一般偏移量的大小与反射和直接路径间的相关延迟成比例。直接信号分量的可能缺少使现有的多路径缓和技术(例如窄相关器或选通相关器)作废。
因此令人满意的是提供一种最佳地利用各种已有数据得到最佳位置结果的测量值处理算法。
发明内容
本发明揭示了用于SPS信号测量值处理的方法和装置。在本发明的一个实施例中，GPS接收机接收从相应的多个GPS卫星发出的多个GPS信号。表征该GPS接收机所在位置的信号环境，以产生信号环境数据。在一个典型的实施例中，搜索信息源，如基于蜂窝网的数据库，以检索能给出GPS接收机大概位置的信号环境数据。可以通过蜂窝式无线通信中的小区站点位置确定该大概位置，该蜂窝式无线通信带有与GPS接收机在同一地点的蜂窝通信装置。定义一个或多个关于卫星信号信号特征的参数。用信号环境数据确定参数的门限值。测量多个卫星发送的各个卫星信号到达时间的代码相位。用参数的门限值检验表示测量出到达时间的数据，以产生一组到达时间，从中计算出GPS接收机的位置结果。
在本发明的另一实施例中，表征GPS接收机所在位置信号环境，以产生信号环境数据。该信号环境数据反映了SPS信号在该位置传播的方式。该信号环境数据用于确定至少一个处理值，它用于依次处理表示GPS接收机接收到SPS信号的数据。
在本发明的一个特殊实施例中，用基于信息源的小区(例基于蜂窝电话网的数据库)确定信号环境数据，该数据表示SPS信号在SPS接收机所在位置传播的方式，位于该位置的SPS接收机用信号环境数据确定的方式处理SPS信号。
在本发明的另一实施例中，处理SPS信号的方法能确定同组SPS信号的两个(或更多)相关峰值的存在，该同组SPS信号来自一个第一SPS卫星。一组表示SPS信号到达时间的测量值来自两个(或更多)的相关峰值；典型地，较早的相关峰值表示一组SPS信号的直接路径，而不是反射路径，用较早的相关峰值得出表示一组SPS信号到达时间的测量值。
通过以下附图和详细描述，本发明其它特点和实施例将更加明显。
附图概述本发明用实例举例说明而不局限于附图，附图中用标号指出相应的部件，其中
图1是利用本发明实施例的GPS接收系统一个实例的框图，表示了可能存在于基站和远程GPS接收机间的数据链路。
图2是用七个不同视点卫星的实例值例示数据元实例的表格，它可用于本发明的实施例。
图3是十五个相关器输出带有1/2码片延迟振幅的图示，它在如图2所示卫星的点状信道附近。
图4是流程图，它根据本发明实施例的测量值处理方法，概述了在处理接收卫星信号以产生位置坐标的过程中，GPS接收机20，或其它类型GPS接收机，或移动GPS接收机和如服务器计算机系统的数据处理系统组合的主要操作。
图5是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示信号环境表征过程中的操作流程图。
图6是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示算法控制参数建立过程中的操作流程图。
图7是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示测量值选择和计算过程中的操作流程图。
图8是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示差错检测和分离过程中的操作流程图。
图9是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示偏移调整过程中的操作流程图。
图10是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示贯序测量值优化过程中的操作流程图。
图11是根据本发明的实施例，概述包括在如图4所示计算和误差估计过程中操作的流程图。
图12A是包括基于小区信息源的蜂窝网系统的实例。
图12B是根据本发明实施例的SPS服务器的实例。
详细描述本发明描述了用于卫星定位系统(SPS)信号测量值处理的方法和装置。
在以下的讨论中，将参照作为SPS系统实例的美国全球定位系统(GPS)系统的应用描述本发明的实施例。然而，很明显的是这些方法也可以等效的应用于其它卫星定位系统，如俄国Glonass系统。因此，这里用的术语“GPS”包括这些可选的卫星定位系统，包括俄国Glonass系统。同样地，术语“GPS信号”包括另外的可选卫星定位系统发出的信号。
此外，虽然参照GPS卫星描述本发明的实施例，但是值得重视的是该学说可等效的应用于使用伪卫星(pseudolites)或卫星和伪卫星组合的定位系统。伪卫星基于地面的发射机，该发射机发送调制在L-波段(或其它频率)载波上的PN代码(类似于GPS信号)，一般与GPS时间同步。指派给每个发射机一个唯一的PN代码，使得远程接收机能够辨认。伪卫星在轨道卫星发出的GPS信号难以到达的地方很有用，例如隧道、矿井、建筑物、城市峡谷或其它封闭的区域。这里使用的术语“卫星”将包括伪卫星或伪卫星的等价物，这里使用的术语GPS信号将包括伪卫星或伪卫星等价物发出的类似伪卫星或伪卫星的等价物GPS信号。
GPS接收系统图1是GPS接收系统的框图，它可实现本发明的方法。图1的GPS接收系统包括一个移动或远程GPS接收机单元20，它包括GPS处理级和通信级。因此，GPS接收机单元20包括实现处理GPS信号所需功能和处理通信信号所需功能的电路，该通信信号通过通信链路发送和接收。典型的如数据链路16的通信链路是到另一个通信部件的射频通信链路(例如蜂窝电话通信链路)，例如具有通信天线14的基站10。
与传统的GPS方法一致，GPS接收机20接收轨道GPS卫星发送的GPS信号，并通过比较接收到的PN代码信号序列和内部产生的PN信号序列之间的时间变化，确定唯一的伪随机噪声(PN)代码到达的时间。通过GPS天线40接收GPS信号，并输入到捕获各种接收到卫星PN代码的捕获电路。捕获电路产生的导航数据(如伪距数据)通过处理器处理发送到数据通信链路16。
GPS接收机20还包括通信收发部分，如图所示调制解调器22，用于与数据链路16通信。调制解调器22与通信天线24耦合。调制解调器22通过通信信号(典型的为射频信号)发送GPS接收机20处理的导航数据到远程基站，例如基站10。导航数据可以是GPS接收机的实际纬度、经度和高度，或可以是未加工或部分处理的数据。将接收到的通信信号输入到调制解调器22并传给处理器处理，也可能通过声频扬声器输出。
根据本发明的一个实施例，GPS接收机20产生的伪距数据将通过数据链路16传送到基站10。然后基站10根据组合接收机发出的伪距数据、测量伪距的时间和GPS接收机本身(例如通过GPS天线12)接收到的天文历数据，或其它类似数据源，如GPS基准接收机网络，确定GPS接收机20的位置。然后可以将该位置数据发回到GPS接收机20或其它远程位置。GPS接收机20和基站10之间的数据链路16可用各种不同的实施例实现，包括直接链路，或蜂窝电话链路，或任何其它类型的无线链路。
在本发明的一个实施例中，基站10命令GPS接收机20通过数据链路16发送的消息作一个位置测量。在该消息中，基站10还向可视范围内的卫星发送了多普勒相关信息(或其它信息，如卫星历书，可从它导出多普勒频率)。多普勒相关信息可能还包括多普勒变化率，多普勒加速度或其它多普勒相关信息的数学表示。多普勒信息的形式是与卫星位置和速度相关的卫星数据信息，典型的形式是频率信息。典型地，该消息还指定了可视范围内某一特定卫星的标识，或其它初始化数据。调制解调器22接收该消息，并存储在与微处理器26耦合的存储器30中。微处理器26处理数据信息在远程处理部件32-48和调制解调器22间的直接转移。
典型地，消息中包括的多普勒信息持续时间非常短，因为对多普勒信息要求的精度不高。例如，如果要求的精度是10Hz，最大的多普勒频率大约±7kHz，那么一个11比特的字将满足每个可视范围内的卫星。其余的比特将用于传送多普勒变化率信息。如果可视范围内有八个卫星，那么需要88比特指定了所有的多普勒频率。该信息的使用消除了远程装置20搜索这些多普勒频率的需要，因此将处理时间降低了超过十倍。使用多普勒信息还允许GPS接收机20更快地处理GPS信号的样本，如收集存储在数字存储器中的数字化GPS信号。
当GPS接收机20接收到命令(如从基站10)通过含有多普勒信息的消息处理GPS信号时，微处理器26通过电池和功率调节器和功率切换电路36(以及受控功率线路21a、21b、21c和21d)，激活RF-IF转换器42、模数(A/D)转换器44和数字快慢存储器46，以此提供这些部件的全功率。这使天线40接收到的GPS卫星发出的信号从射频(RF)下变频到中频(IF)，以后在A/D转换器44中数字化。然后将一组连续的数据存储在快照存储器46中，一般数据持续时间是一百毫秒到一秒(或更长)。该存储器46存储该数据的寻址由现场可编程门阵列(FPGA)集成电路48控制。通过使用频率合成器38完成GPS信号的下变频，频率合成器38向以下将详细讨论的转换器42提供本机振荡器信号39。
在将可视范围内卫星发出的数字化GPS信号填充快照存储器46期间，DPS微处理器32可以保持低功率状态。RF-IF转换器42和A/D转换器44通常只开通一小段时间，足够于收集和储存伪距计算所需的数据。收集数据完成之后，这些转换电路就关掉，或者另外通过控制功率线路21b和21c(这时存储器46继续接收全功率)减小功率，因此在实际伪距计算期间不会浪费额外的功率。然后进行伪距计算，在本发明的一个实施例中，使用通用可编程数字信号处理器(DSP)集成电路IC 32。在进行该计算之前，微处理器26和电路36通过控制功率线路21e将DSP 32置于有功功率的状态。
在一实施例中，DSP 32是一个通用可编程处理器，与用户定制的数字信号处理器不同，它用于其它GPS单元。一旦DSP 32完成每个可视范围内卫星伪距的计算，它会使用通过数据链路提供的或通过标准解调技术收集得到的卫星天文历数据计算卫星的最终位置。也可以是，它将伪距发送到基站(如基站10)，由基站提供最终位置的计算。图12A显示了一个基站的实例，在这种情况下，可称之为SPS服务器。该SPS服务器通过蜂窝电话网和公众交换电话网(PSTN)通信连接到SPS接收机/蜂窝电话。
在本发明的一个实施例中，DSP 32通过互联总线33将该位置信息发送到微处理器26。这时微处理器26可以通过向电池和功率调节电路36发送一个适当的控制信号，使DSP 32和存储器46再次进入低功率状态。然后，微处理器26通过数据链路16用调制解调器22向基站10发送伪距数据或位置数据，进行最终位置计算或在显示设备(未图示)上输出。
根据存储在数字快照存储器46中的数据量和DSP的速度，可以预计到DSP中位置的计算一般只需要不到几秒的时间。
如上所述，数字快照存储器46捕获一个有相当长时间的记录。用快速卷积法有效地处理该大块数据增强了本发明处理低接收电平信号的效率。在美国专利号5,663,743中描述了该方法的实例。可用这同样的缓冲数据计算所有可视GPS卫星的伪距。在信号振幅快速变化的情况下(例城市的阻挡情况下)，这样可以改良连续追踪GPS接收机的性能。
不同的GPS接收机结构都可以和本发明一同使用。虽然上述讨论集中于带有数字存储器和数字信号处理器的GPS接收机，但是其它GPS接收机结构也可以实现所有或部分本发明的方法，也可以做成所有或部分本发明的装置。例如，传统硬件相关器式GPS接收机可和本发明一同使用。PCT申请PCT/US98/07471或PCT/U898/11375或PCT/US97/06946(公布号为97/40398)中所描述类型的GPS接收机也可和本发明一同使用。在各种情况下，每个SPS卫星的相关器输出(如图3)都保存下来，用于本发明的测量值处理技术。
在各种情况下，接收机本身可以执行测量值处理技术之一的完整处理；或执行该技术的部分处理，并将中间处理结果向前传给“服务器”系统，例如如图12A所示的SPS服务器，由服务器系统完成该处理。在GPS接收机(如移动单元20)执行这些技术之一的所有处理的情况下，GPS接收机会通过它的通信链路如蜂窝电话系统，从外部源接收辅助数据；该辅助数据，如信号环境的特征(和关联的参数值)，可发送到移动单元20。在GPS接收机执行某些处理的情况下，典型地，GPS接收机储存每个SPS卫星相关器输出的样本(如图3所示数据)，然后将这些相关器输出发送到服务器，由服务器执行本发明的测量值处理技术。
测量值处理在本发明的一个实施例中，改良的GPS接收机为每个可视卫星处理几种不同类型的数据。这些数据类型可以包括对应于最大相关峰值(也称为主峰值)(测量到达时间)的一个代码相位；最大相关峰值周围(例如在1/8、1/4、1/2C/A代码码片或其它任意间距处计算)的一组代码相位；一组相关峰宽(在一些选中的信号电平处计算，例如低于峰值3dB处)；多普勒频率(测量代码相位变化率)；信噪比(SNR)；信号干扰比(SIR)；积分周期；表示多个峰值存在和它们与主峰值相对位置的标记。
在本发明的一个典型实施例中，信号环境是用这些为SPS信号(例如SPS信号的SNR)测量的数据类型表征的，这表示SPS信号在SPS接收机所在位置本地(例如不在电离层)传播的方式。在一典型实例中，本地传播SPS信号是在SPS接收机位置附近大约1000米范围内传播的SPS信号。也就是说，在SPS接收机位置附近大约1000米范围内传播的SPS信号可以认为是本地传播SPS信号；该距离可以认为是从距SPS接收机大约0.1米到距SPS接收机大约1000米(可能是2000米)的范围。在另一实施例中，用这些为蜂窝通信信号(例如接收到的蜂窝电话通信信号的SNR)测量的数据类型表征信号环境。例如，为接收到的蜂窝通信信号确定一个或多个这些数据类型，或者从蜂窝电话中发射机的功率电平(例如功率电平越高表示SNR越低)中导出一个或多个这些数据类型。用蜂窝通信信号的测量值表征的信号环境通常表示SPS信号在SPS接收机所在位置本地传播的方式。还要注意到，蜂窝通信信号的处理可以利用信号环境表征。
图2是用七个不同视点卫星的实例值例示一些数据元实例的表格，它可用于本发明的一个实施例。根据其相应的PRN代码，将卫星编号为2，4，7，9，15，26和27。每个卫星的数据包括信噪比、信号干扰比、峰宽、方位角、仰角、代码相位和多普勒信息。
图3表示在点状信道附近，带有1/2码片延迟的十五个相关器输出折合振幅的实例。图3的波形与图2表格中所示27号卫星的数据值一致。图3图示了一个“双峰值”特性的实例，证明存在两个强信号。图3还证明了存在两个弱信号，一个在3个半码片(half-chip)相关延迟时间处，另一个在11个半码片相关延迟时间处。这些信号都可以通过直接信号的到达时间测量。当一个SPS接收机接收到来自同一个SPS卫星信号的反射信号和直接信号，而且这两个信号都相当强且都超过了信号检测电平，就发生同一SPS卫星信号双峰值特性的典型事例。通常，直接信号产生较早的相关峰值(例如，如图3所示时间≈大约6，y≈大约4500)，反射信号产生较晚的相关峰值(例如，如图3所示时间≈大约8.5，y≈大约6500)。在特定情况下(例如SPS卫星低于地平线)，反射信号可能比直接信号强；图3显示了该实例。
在一个较强的SPS卫星信号干扰一个较弱信号的处理时，称为互相关干扰的另一类型干扰也会存在和产生；缓和该干扰方法的实例在1998年7月2日提出申请的，共同待批的美国专利申请序号09/109,112中有描述。
图4是根据本发明实施例的测量值处理方法，概述在处理接收到的卫星信号以产生位置信息的过程中，GPS接收机20主要操作的流程图。图4所示测量值处理方法包括七个主要过程。在操作101中，表征了GPS接收机位置的信号环境。实验数据表示信号特征，例如信号强度、伪距和多路径误差的各种测量，从一种环境(如城市峡谷)到另一种环境(如室内)的重要变化。这主要是因为在不同城市环境中的建筑物材料、重量和空间的分布影响了卫星信号到GPS接收机天线的通路。信号环境数据表示在一特定位置SPS信号向SPS天线传播的方式。
表征GPS接收机20根据其信号环境通信的蜂窝站点有助于测量值处理的算法选择。该信息可作为小区目标信息的一部分而被得到。除了小区信号分类以外，小区目标信息还可包含小区服务区域、小区站点标识、小区站点位置和估计高度等信息。各种信号环境可被定义为“开放天空”、“乡村”、“城市”、“城市峡谷”等等。“城市峡谷”可由真正的城市或大城市再细分以更精确地定义环境，如“东京城市峡谷”或“旧金山城市峡谷”。例如“明尼阿波利斯城市峡谷”表示平坦的地形，然而“旧金山城市峡谷”表示在高度上可能有重要变化的丘陵地形。
在本发明的一个典型实施例中，每次SPS接收机在某一位置工作，不参考先前对该位置信号环境的分析，进行信号环境的表征。但是，可能使用该位置信号环境的先前分析，并把该先前分析看作是建立步骤。位置的信号环境，例如小区站点的位置或在该小区站点服务小区区域内的蜂窝电话的典型位置，可在建立步骤(如先前分析)中用在该位置(或该小区站点覆盖区域内的几个“代表性的”位置)记录的几个测量值表征。因为卫星到处移动，所以实验数据只在特定的时期内有效。上述测量值可在每天不同的时间或峰值使用时间周围重复。实际分析这些测量值确定典型的信号强度和典型的峰宽(例如，如图2所示SNR输出和/或SIR输出和/或峰宽)，干扰模式和多路径误差的存在。因为当进行建立表征时位置(或代表性的位置)已知，所以卫星信号相关输出可与期望的相关输出比较，该比较将显示出反射(如反射信号)的数量和信号环境中双峰值的存在。在另一实例中，相关输出和标称值的RMS(均方根值)不同可用于分析多路径误差。而且，大部分或所有蜂窝站点覆盖城市或乡村的实际知识可能包含在信号环境数据中。一旦完成表征，表征信号环境的数据就存储在数据库(例如基于小区的数据库)中，其中该数据库中的位置(例如小区站点标识符或其它小区位置标识符)与表征信号环境的数据相关联。图12A显示了维持于SPS服务器中的该数据库的实例。在本发明一个实施例的工作中，移动蜂窝电话/GPS接收机(例如接收机901b)提供伪距和发送到小区站点(例如小区站点901a)的相关输出(用于测量值处理)。然后小区站点将该数据转送到依次确定信号环境(例如接收蜂窝无线电通信小区站点的标识符和在数据库(如数据库912a)中寻找与小区站点位置相关联的信号环境数据)的SPS服务器(如服务器912)。然后根据本发明的各种实施例，用表示信号环境的数据处理从移动蜂窝电话/GPS接收机(例如接收机901b)接收到的伪距和相关输出。该信号环境数据可由动态得到的信号环境测量值补充，这些测量值在建立表征后系统的实际应用中得到。然而，建立表征可提供帮助信息；例如，在蜂窝电话网的特定小区中，大部分的小区在城市或乡村，该信息将传到移动SPS接收机并用于移动SPS接收机作为信号环境分类的一部分。
在本发明的一个实施例中，在操作101中得到的环境分类可用于帮助操作103中的算法控制参数选择。操作103中的控制参数建立通常包括信噪比、信号干扰比、峰宽、HDOP、卫星仰角的表征码和其它参数。这些控制参数用于操作105的测量值选择和计算过程。根据参数表征码值进行测量值选择。作为操作105的一部分，还进行一些测量值的计算。例如，从测量出的(输出)信噪比、测量值积分周期(根据检测前的积分数和检测后的积分数定义)和多普勒误差估计出输入信噪比。
根据操作103的参数选择，可识别出一些测量值是潜在的互相关。在操作105中，进行一个测试以确定产生代码相位测量值的接收机是否是互相关峰值，而不是一个真信号。
然后，操作107的差错检测和分离(FDI)步骤使用这些成功通过操作105的测量值。差错检测和分离步骤用于分离(也就是识别)任何错误的卫星，使之能被纠正或从结果中移去。差错检测和分离的先决条件是有一个过定的解答，即测量值的数目超过未知的数目。
如果伪距测量值中有误差(偏移)，进行操作109的偏移调整步骤。在一个实施例中，偏移调整步骤首先进行偏移估计，然后进行偏移调整。该步骤还可以包括用偏移估计纠正伪距测量值。
在操作111中，贯序测量值优化(SMO)步骤用于改进选中的误差统计量。使用的误差统计量会受操作101中信号环境表征的影响。贯序测量值优化步骤每次分析一个测量值一个子集的解，并选出具有最佳误差统计量的解。例如，如果有n个测量值，只有一个误差，贯序测量值优化步骤将认为n个子集的解是通过每次在最初的集合中忽略一个卫星得到的。在本发明的另一可选实施例中，不用移去卫星的方法，通过操作109中计算的误差估计调整卫星测量值。用这种方法，贯序测量值优化步骤分析所有可能的子集以得到最佳的解。在另一个实施例中，偏移调整可作为贯序测量值优化步骤的一部分。
在操作113中计算位置和速度。此外，还要计算误差统计量例如单位方差、估计水平误差、加权HDOP、误差椭圆及其方位。
图4的每个主要过程中个别操作的详细描述将在以下部分提供。
信号环境表征图5是根据本发明的实施例，概述包括在如图4中操作101所示信号环境表征过程中的操作流程图。识别或确定GPS接收机的信号环境对于达到最大适应性和支持各种工作电平很重要。
在操作201中，信号环境被分成“室内”和“室外”。在本发明的一个实施例中，通过用户输入将该信息提供给GPS接收机。在另一实施例中，该信息可从获得的基于GPS的测量值中分离出来。例如，信噪比和/或信号衰减和卫星视线信息(方位角和仰角)的分布可以指示出室内环境或室外环境。信号衰减计算为测量到的输入信号电平与期望输入信号电平之差。期望信号电平是对于一个给定的仰角和方位角组合的无障碍直接卫星信号的信号电平。确定期望输入信号电平作为多普勒误差和总的积分周期的函数。GPS接收机的天线增益模式可用于调整期望信号电平。
例如，如果所有可视范围内卫星信号都通过一个门限电平衰减，可识别出信号环境为“室内”。在所有或多数卫星上存在短多路径误差(＜30m)也可以识别出室内环境。在另一实例中，在存在至少一个较高仰角的卫星信号显示出衰减电平高于低空卫星发出的信号电平的情况下，也可识别出信号环境为“室内”。在所有或多数卫星上存在峰宽偏移，一般在波峰较宽的波形中，也可以识别出室内环境。在一定的信号条件下，例如不同相位的信号组合，作为多路径信号存在的结果峰宽会变窄。
在本发明的另一实施例中，从蜂窝输出发送(例如从基站到手机)的信号电平，用于帮助信号环境的确定。在类似于以上就GPS卫星信号描述的方式中，蜂窝或无线电信号的信号衰减测量可用于帮助确定如GPS接收机20的组合GPS接收机用于室内还是室外。
在操作202中，确定信号环境是否在“室外”。如果信号环境是在室内，进行操作207的处理，从而跳过操作203-205。另外，该处理也可跳过操作203-209，因为室内环境不太可能具有动态特征(即使如果它有，这表示室内的表征可能是不正确的，信号环境应重新表征为“室外”)。如果环境是室外，在操作203中再把环境细分为“开放天空”、“乡村”、“城市”或“城市峡谷”。在本发明的一个实施例中，通过进一步分析信号衰减和GPS信号的伪距误差特征确定这些细分类。例如，如果GPS传感器能捕获和追踪所有可视范围内的卫星信号，这些信号显示出很少或无多路径的直接信号特性，那么可以断言该环境是“开放天空”信号环境。
对于操作203，信号衰减/信号阻塞信息用于确定“城市”环境的类型。例如，在城市环境中假定建筑物间隔20米，30°卫星能见度表征码等于被6米高的建筑物环绕。卫星能见度表征码信息来自总的信号阻塞或一特定电平的信号衰减。例如，带有接收到全部超过60°仰角表征码的直接信号信号环境，可断言它是“城市峡谷”信号环境。典型的城市信号环境是在一个方向卫星被建筑物遮住，但是在垂直方向有较佳的能见度。具有较大多路径误差的伪距测量值也可表示城市峡谷环境。在很多情况下，峰形中多个峰值或偏移的存在也可表示城市峡谷环境。
在操作204中，确定室外信号环境是城市或城市峡谷，还是开放天空或乡村。如果室外信号被分为“城市”或“城市峡谷”环境，在操作205中，通过识别它的城市区域或城市名称进一步细分该环境。例如，城市峡谷环境可被指定为“芝加哥城市峡谷”或“旧金山城市峡谷”。如先前所述，通过城市或自然的地形和GPS接收机周围建筑物的类型，实际的城市环境会大大的影响GPS信号的接收。
在本发明的一个实施例中，该信息从小区目标信息导出。在另一实施例中，该信息由用户输入提供。另外，它也可从最初的GPS位置结果导出。独立于特定城市峡谷信息的最初坐标一般作为用于识别城市峡谷搜索的数据库是足够正确的。在另一实施例中，最初的位置信息可能与其它定位方法结合而导出，例如使用无线信号作为距离测量值的陆地无线电定位。对于特定的城市峡谷环境，可获得和/或发展用于卫星视线和信号强度期望的计算机模型。模型参数可包括建筑物高度、路宽、十字路口、卫星能见度和周围建筑物遮挡情况的分布，可能的反射和相应的多路径误差。该模型可以自学，例如通过使用人工智能，以合并每个可获得位置坐标的数据。可先使用标准模型帮助分析。这种模型的一个实例可以是一个城市模型，在一个5英里半径的范围内，所有建筑物的60％是20层的建筑物，平均路宽是60英尺。在离中心5到20英里的范围内，所有建筑物的20％是8层的建筑物，平均路宽是80英尺。在离中心20到40英里的范围内，所有建筑物的35％是单层建筑物，平均路宽是100英尺。通过相应的基于GPS的信息的更新和改进，可改进该城市模型的每个位置坐标。
在操作207中，识别GPS接收机的用户动态。典型的轻便GPS接收机，例如图1所示的组合GPS接收机，可用于移动(动态)应用或固定(静态)应用。在本发明的一个实施例中，用户动态的识别通过用户提供的输入完成。在另一个实施例中，该信息来自最初基于GPS的速度结果。在再一个实施例中，用户动态来自可选的无线电定位方法。此外，可通过依赖先前的结果信息或通过使用城市峡谷模型和设置期望电平的具体应用来确定用户动态信息。例如，在自动车辆定位应用中，标准城市模型可包括期望平均车辆速度，例如在5英里半径的范围内是20英里/小时，在20英里半径的范围内是35英里/小时，在40英里半径的范围内是50英里/小时。该模型的每个速度结果都可以更新。特定城市特定街道最大允许速度的数据库也能提供帮助。
在操作209中，将“动态”环境进一步细分为“低”、“中”或“高”动态环境。动态环境的细分提供了GPS接收机传播信息的速度。在本发明的一个实施例中，操作207的动态细分信息由用户向GPS接收机的输入提供。在另一实施例中，根据先前的结果信息(例如速度和加速度)或通过使用城市峡谷模型和设置期望电平的具体应用确定该信息。例如在车辆跟踪应用中，附加的传感器(例如速度计和陀螺仪)输入可用于提供最初的速度估计或速度和/或方向信息，用于进一步与GPS数据集成。
算法控制参数建立图6是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作103所示算法控制参数建立过程中的操作流程图。在操作301中执行信号门限的最初选择。在一个实施例中，根据操作101(如图5流程图所示)确定的信号环境执行该最初的选择。在操作301中选择的信号门限包括最小信噪比(SNR)和信号干扰比(SIR)。例如，如果使用旧金山城市峡谷作为范例信号环境，最小的信噪比和信号干扰比分别设置为15.5和14.5dB。这些门限用于操作105的卫星测量值选择。
在操作303中，设置峰宽参数。这些参数用于在操作105测量值选择和计算过程中执行的卫星选择和互相关校验。在本发明的一个实施例中，在选中信噪比和信号干扰比的电平处计算所有卫星的峰宽。例如，在低于点状相关器信号电平3dB的信号电平处计算峰宽。图3所示相关器的函数表示了点状相关器的输出，该输出位于带有8个半码片相对时间延迟的实例处。计算出该特殊相关器波峰的峰宽是1.02半码片。一般，相关器函数的峰宽、峰宽偏移和波形可表示信号中多路径的存在。例如波峰越宽，多路径误差越大。因此，峰宽表征码可用于操作105的卫星测量值选择。此外，相关器函数的波形可表示多个信号的存在。例如，图3所示的相关器函数表示了两个较早信号的存在。而且，样本中具有5个半码片时间延迟的坡点可以表示不只一个信号的存在。在大部分情况下，互相关信号显示较宽的波峰。这使峰宽测量值可用于在测量值选择和计算过程(图4中操作105)中识别潜在互相关信号。
在操作305中，定义一个“强”卫星。“强”卫星的特征是具有受多路径误差影响最小的卫星测量值。在本发明的一个实施例中，用于“强”卫星识别的参数是卫星仰角、峰宽偏移、信噪比、信号干扰比、信号衰减和输入信号强度。以旧金山城市峡谷为例，仰角表征码可设置为20°，信号输入强度可设置为-135dB。另外，对于不同的城市环境，例如圣荷西城市峡谷，信号输入强度可设置为-130dB。
独立于“强”信号定义的卫星仰角表征码也在操作105中设置。该表征码可用于测量值选择和计算过程中的卫星选择步骤。在“开放天空”信号环境中，该仰角表征码可设置为比较低的值，如5°，因为预计只有很小的多路径误差。然而，在“城市峡谷”环境中，仰角表征码就要升到15°，以避免处理可能受多路径误差影响的卫星。
执行差错检测和分离(FDI)、偏移调整(BA)和贯序测量值优化(SMO)算法的状态机的流程由操作307设置的参数控制。例如，根据信号环境表征和互相关漏检的可能性，可以改变差错检测和分离、偏移调整和连续测量值优化计算进行的次序。例如，在“开放天空”环境中，遗漏互相关的可能性很小，那么偏移调整可能根本不必做，或者可以在差错检测和分离之前做。在另一个实例中，高度辅助测量值可以包括也可以不包括在差错检测和分离、偏移调整和连续测量值优化算法中。根据操作101的信号环境表征设置与高度辅助测量值有关的误差估计。例如，对于“室内”环境，高度辅助可能失效，或者高度误差可以设置成很大的值(如50m)以表示对高度信息源的可信度的缺乏，该高度信息在某一实施例中可以是地形仰角数据库。在另一实例中，控制参数定义的“强”卫星在FDI、BA和SMO算法中可以不同。
测量值选择和计算图7是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作105所示测量值选择和计算过程中的操作流程图。测量值选择和计算过程用于预先过滤位置坐标测量值和计算用本发明的测量值处理方法进一步处理GPS信号所需的参数。
在操作401中，在进一步测量值处理中移去低仰角卫星。可根据图5所示的信号环境表征过程和图6所示的控制参数建立设置仰角表征码。在操作403中，根据测量到的输出信噪比、测量值积分周期和多普勒误差计算估计的输入信号强度。然后，输入信号强度用于计算峰宽偏移和信号衰减。峰宽偏移计算为对具有给定输入信号强度的卫星信号的测得的峰宽和期望峰宽之差。根据信号环境表征，在操作405中，使用信噪比表征码或信号干扰比表征码或估计信号输入强度或这三个表征码的组合，从进一步测量值处理中移去弱信号。在一个实施例中，在图6的算法控制参数建立过程中，如操作301所述设置信号门限。
在操作407中检测和移去互相关信号。互相关信号一般显示出较宽的波峰和高噪声干扰比(NIR)。当一个强卫星信号和一个弱卫星信号互相关时，在高动态信号环境中发生互相关。一般，“室内”和“城市峡谷”环境会产生许多互相关信号。可以检测(通常是检测)强弱卫星耦合的SNR、SIR和估计输入信号强度，以得到有效信号的分离。在一典型实施例中包括旧金山城市峡谷地形，搜索18dB的差值。然后通过检测相关代码相位和强弱卫星耦合的多普勒频率，校验互相关。
在特定的接收条件下，相关波峰的波形会显示出一个有两个主要峰值的双峰值信号。图3的波形例示了这种双峰值信号。双峰值信号是多峰值信号的特殊情况，该多峰值信号是多个信号的组合同时入射到GPS天线的结果。在操作409中，分析如图3波形所示的相关峰值函数，以确定双峰值的存在。例如，接收到图3中最大相关峰值的信号比接收到较早的信号晚1微秒。因为反射信号总是比直接信号传播较长的路径，所以主峰值对应于反射信号，较早的峰值对应于直接信号。在该实例中，可将相关加到伪距(代码相位)测量值上，以计算多路径信号的存在。典型地，该相关选择较早的峰值作来自一个SPS卫星信号正确的相关输出。在移动SPS接收机执行一些本发明的测量值处理技术(如识别双峰值的存在)，SPS服务器执行其它测量值处理技术(例如FDI)的情况下，移动接收机会发出一个某一卫星存在双峰值的指示。在另一实例中，它也会通过参考即时相关器(如图3中的抽样8)发送在相关峰值函数中所有识别出峰值的相对位置。在再一实例中，移动接收机会发送一组相关峰值函数的抽样。偏移调整算法和/或SMO算法可使用该数据处理可的到达时间候选项，以纠正操作601和703所述的伪距测量值。在操作411中，如果检测到宽波峰且它不属于双峰值，那么或者纠正该信号或者从进一步测量值处理中移去该信号。
根据信号环境，在操作413中选择加权方案。权表示伪距测量值中的先验误差不确定性。例如，0.1的权的误差估计是10米。权可以来自各种参数，包括信噪比、信号干扰比、噪声干扰比、输入信号强度、信号衰减、仰角、测量值积分周期、峰宽、峰宽偏移等等。如果检测到卫星信号的双峰值，可以调整特定卫星测量值的权。如果测量值一点未被纠正过或纠正太老了(例如纠正周期大于30秒)以致于不能用于说明选择性有效误差的存在，也可以调整权。误差估计可以改进，通过在系统建立表征中合并可供使用的信号环境测量值，它可作为操作101中信号环境表征的一部分。如果可利用附加信息，也可以改进加权。例如，在“城市峡谷”环境中，可以通过来自不断更新的城市计算机模型的反射信息外部源，例如周围建筑物的相对位置，进一步改进误差估计。
在室外信号环境中高度辅助可用于改进操作415中测量值处理算法的精确度。高度辅助改进了解的几何结构，还提供了对于未定情况所必需的额外数据。如果可获得估计高度(例如小区站点的平均高度)，那它可用作高度辅助参数。当垂直地形模型改进时，高度辅助也将改进。差错检测和分离、偏移调整和连续测量值优化的算法也将从精确的高度辅助中得益。
在室内信号环境中，如果需要产生坐标而没有坐标位置，可利用高度辅助。在这种情况下，加权反映高度测量值的不确定性。将权定义为测量值误差估计的倒数。高度不确定性可能来自城市计算机模型。例如，如果室内环境是20米高的建筑物，可以使用0.1的权。在具有很大高度不确定性或根本没有高度辅助的最初坐标可用作城市计算机模型的查找，以获得建筑物高度信息和相应高度不确定性的地方，可以迭代使用高度辅助。另外，外部源可以提供信息(也就是10层楼)用于纠正来自地形仰角数据库的高度。在操作417中，应用时钟辅助。时钟不确定性可以来自时钟模型，该时钟模型基于用于GPS接收机的内部振荡器的质量或外部定时信号的质量，例如在CDMA网络中用于设置GPS接收机时间的信号。通过来自GPS伪距和多普勒测量值的时钟偏移和时钟位移估计，可以在实时中更新时钟模型。如果网络提供的定时信息很精确(例如精确到在1微秒的范围内)，那这种信息也可以通过提供一个额外的自由度，以辅助本发明的测量值处理方法。
差错检测和分离算法图8是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作107所示差错检测和分离过程中的操作流程图。
在本发明的一个实施例中，差错检测和分离过程作为GPS接收机内接收机自动完整性监控(RAIM)功能的一部分。在本发明的另一实施例中，利用GPS接收机接收到的位置信息，在SPS服务器上执行差错检测和分离过程。基于几种可获得测量值中的自身一致性校验，提出了各种RAIM方案。一些众所周知的误差检测方法是范围比较法、最小二乘残差法和一致校验法及其它(见R.Grover Brown的《全球定位系统理论和应用》第五章，第二卷)。在本发明的一个实施例中，差错检测和分离过程是的差错检测问题的延伸，其中完整性系统也可以尝试分离错误的卫星测量值，这样就能将它从导航解中移去。
在操作501中，发生差错检测和分离。在本发明的一个实施例中，使用一致校验法。(见Mark Sturza的《利用冗余测量值进行导航系统完整性监控》中的导航)。作为差错检测和分离的一部分，进行F测试以确定分离的可靠性。根据信号环境和分离的可靠性，如果将“强”卫星作为一个错误的卫星分离，那么可以执行偏移调整和贯序测量值处理算法，而无需任何进一步的差错检测和分离处理。同样，如果差错检测和分离过程有高度辅助，再次基于高度辅助参数，而且如果高度测量值是分离的，那么可以执行偏移调整和连续测量值处理算法，而无需任何进一步的差错检测和分离过程的处理。例如如果解的计算发生在具有较好高度估计(也就是不确定性很小)的“开放天空”环境下，而且高度测量值作为错误的测量值独立，那么就可以停止进一步的差错检测和分离处理，而执行偏移调整和连续测量值处理的算法。
另外在操作503中，执行独立测量值中的偏移估计。在本发明的一个实施例中，利用著名的先验和后验最小二乘解残差的数学关系，假设只有独立测量值受大小未知偏移的影响，其余的测量值是完美的。然后用最小二乘的形式解决偏移。在本发明的一个实施例中，如果偏移的大小超过预选的门限，那么断言独立的测量值为遗漏的互相关，并适当地除去权。
根据信号环境和自由度数，可以对独立测量值调整偏移或除权。将自由度数定义为测量值总数和待解决的未知参数数的差。根据加权系数，除权相当于从解中移去测量值。在操作505中，对测量值进行偏移调整。该方法中，用操作503中估计的偏移纠正测量值。在本发明的一个实施例中，只有在偏移为正时，对测量值进行偏移调整。
在操作507中，计算用于已调整测量值的新权。新的权可能基于信号环境、分离可靠性、偏移大小、卫星测量值中多峰值的存在和其它因素。
在操作509中，计算新的解和相应的误差估计。在操作511中，确定是否引起了任何预定义的突发情况。在本发明的一个实施例中，突发情况包括HDOP超过HDOP表征码、估计水平误差超过预选门限、单位方差低于预选门限或超过第二预选门限、分离之前和之后解的变化低于预选门限或超过第二预选门限、差错分离未通过可靠性测试、自由度数低于预选门限，以及其它因素。如果在操作511中确定未引起任何突发情况，从操作501开始重复整个差错检测和分离过程。否则，差错检测和分离过程结束。
偏移调整算法图9是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作109所示偏移调整过程中的操作流程图。
在本发明的一个实施例中，如图9所示的偏移调整算法类似于参照图8操作503的偏移估计过程。然而在图9的偏移调整过程中，对任何或任何子集的普通接收信号进行偏移估计，而不只限于检测到的独立的错误测量值。在某些实例中，选中的子集可以是整组测量值。在本发明的一个实施例中，该组内可以不包括互相关信号，可以不包括“强”卫星，也可以不包括“双峰值”测量值。应该注意到偏移调整过程上下文中“强”卫星的定义可能不同于差错检测和分离算法上下文中用的“强”卫星的定义。在另一实施例中，该组内可以不包括任何或所有作为图4中操作105测量值选择和计算一部分的预先过滤掉的测量值。
在操作601，估计一组选中卫星的偏移误差。根据信号环境和高度辅助参数，偏移估计可以包括或不包括高度测量值。在操作603中，选择最大正偏移估计。在本发明的一个实施例中，如果使用高度辅助，高度测量值的偏移可以不包括在该选择中。在本发明的另一实施例中，可选择相关函数中任何多峰值的位置作为偏移估计。在一个实例中，选择最早的可识别峰值。在另一实例中，可选择相关函数中的任何坡点作为偏移估计。然后在操作605中，用偏移估计纠正选中的测量值。
在操作607中，调整已纠正测量值的权以解决偏移调整。新的权可能基于信号环境、偏移大小、已纠正伪距残余项的大小、算法控制参数、SNR、SIR、偏移估计相关函数样本中的信号输入强度等等。在操作609中计算新的解和相应的误差估计。
在操作611中，确定是否引起了任何预定义的突发情况。在本发明的一个实施例中，突发情况包括与单位方差成比例的估计水平误差超过预选门限、单位方差低于预选门限或超过第二预选门限、偏移调整之前和之后解的变化低于预选门限或超过第二预选门限、自由度数低于预选门限，以及其它因素。如果在操作611中确定未引起任何突发情况，从操作601开始重复偏移调整过程，否则，偏移调整过程结束。
贯序测量值优化算法图10是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作111所示贯序测量值优化(SMO)过程中的操作流程图。
在本发明的一个实施例中，只有遇到称为“初始条件”的特定条件，才进行贯序测量值优化过程。在操作701中，检验贯序测量值优化过程的初始条件。初始条件包括差错检测和分离可靠性测试的失败，或用错误的检测和分离算法分离“强”卫星或高度测量值。如果误差统计量(例如估计水平误差)超过基于信号环境表征的选中门限，也可以启动贯序测量值优化过程。初始条件还可以包括差错检测和分离和/或偏移调整中的任何突发情况。
在本发明的另一实施例中，可设置算法控制参数建立过程中操作307的一组控制参数，以迫使贯序测量值优化算法总是执行，而不是在只有出现初始条件时进行。
在操作703中，为每个选中的卫星估计偏移。在一个实施例中，一组选中的卫星测量值可以不包括由先前测量值处理步骤已经从解中移去的卫星，例如通过测量值选择和计算过程、差错检测和分离过程或者偏移调整过程。该组内也可以不包括“强”卫星。此外，在连续测量值优化上下文中的“强”卫星定义可能与差错检测和分离或偏移调整上下文中用的“强”卫星定义不同。在另一实施例中，该组内可以包括所有卫星。
在操作705，根据选中的方法处理选中的卫星测量值。选中的方法可以是偏移调整技术、权调整技术、时间调整技术、多路径缓和技术或一些其它的测量值优化技术。偏移调整技术可使用操作703计算的偏移估计，以纠正选中的测量值和调整权以解决纠正。权调整技术可以除权卫星测量值，降低测量值对总体解的影响。时间调整技术可以在任一方向(延迟或提前到达时间)上调整卫星测量值，以改进解。在另一实施例中，只能执行提前到达时间(例如减少到达时间)作为时间调整技术的一部分。多路径缓和技术可以使用信号计算机模型来估计特定位置的多路径误差，并在卫星测量值加权中使用该信息。在另一实施例中，分析相关波形(相关函数)的拐点，拐点表示偏移理想峰形，也可以表示多个信号组合的点。在再一个实施例中，分析相关波形的在可能到达时间的多个峰值。
在操作707中，计算新的解和相应的误差统计量。在操作709中，识别优化误差统计量的测量值。在特定的情况下，优化可以对应于误差统计量的最小化。例如，选中的误差统计量可以是加权的根和平方后验残差。误差统计最选择可以根据信号环境表征或“城市峡谷”计算机模型，或者先前关于具体信号环境中具体方法成功的信息。其它可用的误差统计量是未加权的根和平方后验残差，加权的根和平方先验残差、估计水平误差、单位方差、与HDOP成比例的单位方差及其它。
在操作711中，确定对于进一步贯序测量值优化，是否有可用的自由度。如果有自由度仍然有效，从操作601开始重复贯序测量值优化，否则贯序测量值优化过程结束。在本发明的一个实施例中，如果结果HDOP超过预选的HDOP表征码，或者结果加权HDOP超过预选的加权HDOP表征码，如果选中的误差统计量低于预选的门限水平，或者如果当前的贯序测量值优化迭代不导致选中误差统计量的改进，那么可以停止贯序测量值优化过程。FDI和/或偏移停止过程的任何突发情况可用于停止SMO过程。
最后解和误差估计的计算图11是根据本发明的实施例，概述包括在如图4操作103所示最后计算和误差估计过程中操作的流程图。
在操作801中，计算最后解和误差估计。在本发明的一个实施例中，解可以包括至少一个位置、速度和定时信息。也可以进行测试以验证解。在一个实施例中，测试基于环境类型，例如“城市峡谷”城市模型。在另一实施例中，在车辆跟踪应用中，通过比较解的位置和它在数字地图或其它GIS(地理信息系统)资源上的位置，检验解是否在街道位置上。该测试检验选中的误差统计量是否超过预选的门限。该测试也可以将该解和先前的解或一系列先前的解比较。
在操作803中，计算误差椭圆。可以根据环境类型分析误差椭圆半长轴和半短轴的大小以及方位角。例如，在“城市峡谷”环境中严重的多路径条件下，误差椭圆的方位角一般垂直于街道的方向。换句话说，半短轴要重合于街道方向。
在操作805中，用位置解信息更新信号环境计算机模型。还可用室外信号环境的高度解更新地形仰角数据库。
本发明的各种方法可以通过移动SPS接收机执行一部分，剩余的部分由远程本地SPS服务器执行。图12A中显示了用该方法工作的系统的一个实例，图12B显示了SPS服务器的一个实例。
只为了解释的目的，图12A的系统900包括四个分别由小区基站服务的小区901、902、903和904，以后参考小区站点901a、902a、903a和904a。每个小区站点用熟知的蜂窝电话通信方式，用小区站点附近的小区电话提供两路蜂窝无线通信。典型的小区电话也可包括移动SPS接收机，例如接收机901b。图1显示了移动单元20的特例，可以构造它实现集成移动SPS接收机和小区电话901b。移动单元901b中的蜂窝电话提供到小区站点和来自小区站点的无线通信。无线通信可包括语音数据和SPS辅助数据或上述输出的SPS位置信息。例如，可将信号环境数据提供给小区电话，然后SPS接收机可利用该小区电话，以执行本发明的测量值处理技术。可从基于小区的数据库得到该数据，例如由SPS服务器912维持的数据库912a，然后单元901b中的SPS接收机可使用该信号环境数据在SPS接收机内执行本发明的测量值处理技术。典型地，SPS接收机将接收SPS信号，并为每个卫星确定这些信号的相关输出。然后，在SPS接收机内执行本发明的一些测量值处理技术，其它的由SPS服务器执行，例如服务器914和912。每个移动单元都通过小区站点和移动交换中心和服务器相连，例如移动交换中心906和907，它们通过图12A所示的公众交换电话网908依次和服务器相连。因此，伪距和相关输出和移动SPS系统901b产生的其它测量值处理输出可以通过小区站点901a和移动交换中心907和特定服务器(如SPS服务器912)的PSTN(公众交换电话网)向前传给SPS服务器。然后SPS服务器执行本发明测量值处理技术的剩余部分，以确定各种可视卫星最后的伪距。还使用从广域基准网(WARN)915接收到的卫星天文历数据进行位置计算。之后，SPS服务器做出的最后位置的确定允许服务器将该最后位置信息提供给另一系统，例如应用系统910，在一个实施例中，它可以是公共安全应答点(PSAP)。在共同待批的、1998年4月28日提出申请的，发明者为Norman F.Krasner，Mark Moeglein和David Coleman，题为《分布卫星位置系统处理和应用网络》的美国专利申请序号09/067,406中，描述了本发明可利用系统的再一实例。在共同待批的、1998年4月28日提出申请的，发明者为Mark Moeglein，Leonid Sheynblat，和Norman F.Krasner，题为《卫星定位基准系统和方法》的美国专利申请序号09/067,407中，描述了广域基准网的实例。除了可以存储在小区基础数据库912a和914a中的信号环境数据，这些数据库可以储存平均高度，也可以储存卫星相关信息，例如考虑到各种小区站点的卫星估计多普勒频率。在共同待批的、1997年4月15日提出申请的，发明者为NormanF.Krasner，题为《利用通信链路的改进GPS接收机》的美国专利申请序号08/842,559中，描述了这种类型的基于小区的数据库实例。
应该注意到基于蜂窝的通信系统是具有不只一个发射机，每个发射机服务于随时及时预定义的不同地域的通信系统。典型地，每个发射机是一个无线发射机(例如小区站点)，它服务一个地理半径小于20英里的小区，虽然覆盖区域依赖于具体的蜂窝系统。具有多个类型的蜂窝通信系统，例如蜂窝电话、PCS(个人通信系统)、SMR(专用移动无线电)、单向和双向寻呼机系统、RAM、ARDIS和无线分组数据系统。一般预定义的不同地域被称为小区，许多小区组合在一起形成蜂窝服务区域，这些小区耦合到一个或多个提供与陆基电话系统和/网络连接的蜂窝交换中心。服务区通常用于账单目的。因此，可能有这种情况在不只一个服务区内的小区被连到一个交换中心。另外，有时在一个服务区内的多个小区被连到不同的交换中心，尤其是在人口密集的区域。一般，将服务区定义为地理上接近的小区的集合。另一类符合以上描述的蜂窝系统是基于基于卫星的系统，其中蜂窝基站典型地是地球轨道卫星。在这些系统中，小区扇区和服务区按时间函数移动。这些系统的实例包括铱、地球星、Orbcomm、Odyssey系统。
图12B是根据本发明实施例的SPS服务器的实例。该服务器包括与调制解调器或其它接口953耦合，并与调制解调器或其它接口952耦合，还和另一调制解调器或接口954耦合的数据处理单元951。此外，大容量存储单元955也和数据处理单元951耦合。任选项GPS接收机也可以和数据处理单元耦合951。大容量存储器955包括用于执行本发明处理操作的可执行计算机程序，还包括存储基于小区信息源的存储器，例如基于小区的数据库912a，它将小区站点内的位置与这里所述的具体的信号环境数据关联。每个调制解调器或其它接口提供一个数据处理单元951和图12A所示系统900的各种部件之间的接口。例如，调制解调器或其它接口953提供来自蜂窝交换中心间的连接，在SPS接收机直接和移动交换中心耦合的情况下例如与移动交换中心907和单元951连接。如图12A所示，移动交换中心间的链路是通过公共交换电话网的，因此接口953将服务器912和914耦合到公共交换电话网。在另一实施例中，每个小区站点可以包括一个服务器系统，因此接口953将数据处理单元951直接耦合到小区站点，例如小区站点901a。接口952将单元951耦合到其它系统，例如图12A所示应用系统910。接口954将单元951耦合到GPS信号源，例如图12A所示WARN 915。
以上叙述中，通过例如GPS接收机的SPS系统中导航数据的测量值处理描述了系统。虽然通过参考特殊的实施例描述了本发明，但是很明显的是对这些实施例做各种改变和变化不脱离以下权利要求所述的本发明最宽的精神和范围。因此，应该认为说明书和附图只有说明的意义，而没有限制的意义。
权利要求
1.一种测量卫星定位系统(SPS)接收机接收到卫星信号到达时间的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤接收从多个SPS卫星发出的多个SPS信号；根据SPS接收机所在位置，表征信号环境，产生表示SPS信号本地传播到所述位置的方法的环境数据；测量从所述多个卫星中两个或更多卫星发出的各个卫星信号的到达时间；和用所述环境数据处理表示所述到达时间的数据，以产生一组到达时间，用它计算所述SPS接收机的位置坐标。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境数据包含所述多个信号中一个信号的信噪比、信号干扰比、输入信号强度、信号衰减、相关函数波形和峰宽值中的至少一个。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述SPS信号在所述位置的大约1000米范围内，SPS信号本地传播到所述位置。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述表征步骤包含确定所述信号环境是类似室内环境还是室外环境。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤识别一个或多个错误的SPS信号；纠正所述SPS接收机测出的到达时间测量值，作为识别一个或多个错误SPS信号的结果。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述SPS接收机包含在组合接收机和无线电通信装置中，所述组合接收机包括数字处理器，该数字处理器利用所述环境数据，处理表示所述到达时间的所述数据。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无线电通信装置是处理蜂窝通信信号的蜂窝通信系统，所述表征包含确定所述蜂窝通信信号的信号参数。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一组到达时间通过通信链路被发送到基站。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤为第一个SPS卫星发出的第一组SPS信号确定第一可能相关峰值；为所述的第一组SPS信号确定第二可能相关峰值；从接收所述第一组SPS信号的所述SPS接收机发送一个表示所述第一和所述第二可能相关峰值都已确定的标识。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述信号环境，用偏移调整对所述一组到达时间的到达时间测量值进行纠正。
11.一种确定卫星定位系统(SPS)接收机位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤从SPS卫星接收一个SPS信号；至少确定所述SPS信号相关输出的峰宽值或所述SPS信号的信号干扰比中选中的一个；用所述峰宽值或所述SIR中所述选中的一个，确定所述SPS接收机的所述位置。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤识别一个或多个错误的SPS信号；纠正所述SPS接收机测出的到达时间测量值，作为识别一个或多个错误SPS信号的结果。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据一个所述峰宽值或所述SIR，用偏移调整对到达时间测量值进行纠正。
14.一种测量卫星定位系统(SPS)接收机接收到的卫星信号到达时间的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤接收从多个SPS卫星发出的多个SPS信号；根据SPS接收机所在位置，表征对应于该位置的信号环境，产生环境数据；用所述环境数据，为与所述卫星信号一个或多个特征有关的一个或多个参数选择门限值；测量所述多个卫星中两个或更多卫星发出的各个卫星信号的到达时间，产生多个测得的到达时间；和用所述一个或多个参数的门限值测试表示所述到达时间的数据，以产生一组到达时间，用它计算所述SPS接收机的位置坐标。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述环境数据的一个或多个特征包含所述多个信号中信号的信噪比、信号干扰比、输入信号强度、信号衰减、相关函数波形和峰宽值中的至少一个。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述表征所述信号环境还包括，如果在建筑物内所述SPS接收机接收所述多个SPS信号，表征所述信号环境是室内环境；或者如果不在建筑物内所述SPS接收机接收所述多个SPS信号，表征所述信号环境是室外环境。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述表征所述信号环境还包括，如果在有预定数量建筑物的区域内所述SPS接收机接收所述多个SPS信号，表征所述信号环境是城市环境；或者如果在少于预定数量建筑物的区域内所述SPS接收机接收所述多个SPS信号，表征所述信号环境是乡村环境。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤识别一个或多个错误的SPS信号；和纠正所述SPS接收机测出的到达时间测量值，作为识别一个或多个错误SPS信号的结果。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤估计所述多个测得的到达时间中一个或多个测得的到达时间的偏移误差，产生估计偏移值；和用所述估计偏移值纠正所述多个测得的到达时间。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤用所述环境数据，为每个测得的到达时间定义误差门限；将所述每个测得的到达时间中的误差和所述误差门限比较；和如果所述到达时间中的所述误差超过所述误差门限，移去到达时间测量值。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述SPS接收机包含在组合接收机和无线电通信装置中，所述组合接收机包括数字处理器，该数字处理器用于执行所述卫星信号的所述到达时间的所述测量。
22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述表征所述信号环境步骤包含确定所述SPS多个信号中至少一个信号的信噪比、信号干扰比、输入信号强度、信号衰减、相关函数波形和峰宽值中的至少一个。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述无线电通信装置包含蜂窝电话，所述SPS接收机的位置在蜂窝电话发送区域的范围内。
24.一种用卫星定位系统(SPS)接收机确定位置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤接收从多个SPS卫星发出的多个SPS信号；确定所述多个SPS信号中每个的积分周期，所述积分周期对应于用于为每个相应SPS信号执行到达时间测量的一段时间；确定所述多个SPS信号中每个信号的最大相关峰值和相关峰宽；确定每个所述相关峰值的代码相位；确定所述多个SPS信号中每个的多普勒值；和确定与所述多个SPS信号中每个相关的一个或多个信号特征。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在所述多个SPS信号中每个的所述最大相关峰值周围，确定一组代码相位；和为所述多个SPS信号中每个信号设置一个标记，对于每个SPS信号都存在在所述积分周期内发生的多个峰值。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述多个SPS信号中每个信号的一个或多个信号特征包含信噪比、峰宽值、输入信号强度、信号衰减、相关函数波形和信号干扰比中的至少一个。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，还包括表征所述SPS接收机所在位置的信号环境，以产生环境数据。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括用所述环境数据和相应的最大相关峰值、多普勒值、代码相位和为所述卫星确定的信号特征，测量SPS信号的到达时间。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括为未达到预定门限标准的卫星发送的SPS信号，除去到达时间测量值。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括为未达到预定误差门限标准的SPS信号，除去到达时间测量值。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述预定误差门限标准包含所述多个卫星中一个或多个卫星发送的互相关信号。
32.一种SPS接收机装置包含天线，用于接收多个可视卫星发出的射频SPS信号；与所述天线耦合的下变频器，所述下变频器将所述接收到的SPS信号的射频降低到中频(IF)，以产生基带信号；与所述下变频器耦合的数字转换器；与所述数字转换器耦合的处理器，其中所述处理器用于确定与所述SPS接收机所在位置对应的信号环境，以产生环境数据；用所述的环境数据为有关所述卫星信号一个或多个特征的一个或多个参数选择门限值；测量所述多个可视卫星中两个或多个卫星发出的各个卫星信号的到达时间，产生多个测得的到达时间；和用所述一个或多个参数的所述门限值测试表示所述到达时间的数据，产生一组到达时间，用它计算所述SPS接收机的位置坐标。
33.如权利要求32所述的SPS接收机装置，其特征在于，还包括一个通信天线和一个与所述通信天线和所述处理器耦合的通信接收机，所述通信接收机能通过通信链路接收含有卫星数据信息的数据信号。
34.如权利要求33所述的SPS接收机装置，其特征在于，所述一组到达时间通过所述通信链路被发送到基站。
35.如权利要求34所述的SPS接收机装置，其特征在于，所述通信链路包括蜂窝电话发送链路。
36.如权利要求35所述的SPS接收机装置，其特征在于，所述环境数据确定所述SPS接收机位于室内还是室外，所述SPS接收机位于城市还是乡村。
37.如权利要求36所述的SPS接收机装置，其特征在于，所述环境数据由用户输入到所述SPS接收机。
38.如权利要求36所述的SPS接收机装置，其特征在于，通过分析所述通信链路发送的数据确定所述的环境数据。
39.一种处理卫星定位系统(SPS)信号的方法，其特征在于，所述方法包括为第一个SPS卫星发出的第一组SPS信号确定第一可能相关峰值；为所述第一组SPS信号确定第二可能相关峰值；从第一可能相关峰值和第二可能相关峰值中的一个，得到表示所述第一组SPS信号到达时间的测量值。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述的第二可能相关峰值在时间上跟随在所述的第一可能相关峰值之后。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述的第二可能相关峰值来自一个反射SPS信号。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，表示所述到达时间的所述测量值来自所述第一可能相关峰值。
43.如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤从接收所述第一组SPS信号的SPS接收机发送一个表示所述第一可能相关峰值和所述第二可能相关峰值都已确定的标识。
44.如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤识别一个宽波峰相关输出，并从用于确定SPS接收机位置信息的测量值中丢弃所述宽波峰相关输出，该所述SPS接收机接收所述的第一组SPS信号。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在远程处理系统接收表示所述到达时间的所述测量值，并接收所述标识，所述远程处理系统通过蜂窝无线电频率网络通信耦合到所述的SPS接收机。
46.一种处理卫星定位系统(SPS)信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤确定表示SPS信号在SPS接收机所在位置的传播方式的信号环境数据，其中所述信号环境数据包括表示所述位置附近SPS信号的多路径情况和干涉情况中至少一个的数据。确定如何根据所述信号环境数据处理表示由所述SPS接收机接收的SPS信号的数据。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述信号环境数据完全不依赖于电离层的情况。
48.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述信号环境数据包括(a)信噪比、(b)信号干扰比、(c)峰宽参数、(d)输入信号强度值、(e)强卫星参数、和(f)信号衰减中的至少一个。
49.如权利要求46所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤发送表示在所述SPS接收机处SPS信号到达时间的测量值；在远程处理系统中通过蜂窝无线电频率通信链路接收表示到达时间的所述测量值；在所述远程处理系统中处理表示到达时间的所述测量值，以确定SPS接收机的位置解。
50.一种处理卫星定位系统(SPS)信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤为第一组SPS信号确定第一可能相关峰值；为所述第一组SPS信号确定第二可能相关峰值；从所述第一可能相关峰值和所述第二可能相关峰值中的一个，得到表示所述第一组SPS信号到达时间的测量值；从接收所述第一组SPS信号的SPS接收机发送一个表示所述第一和第二可能相关峰值都已确定的标识。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述的第二可能相关峰值在时间上跟随在所述的第一可能相关峰值之后。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述的第二可能相关峰值由一个反射SPS信号产生。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，表示所述到达时间的所述测量值来自所述第一可能相关峰值。
54.如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤识别一个宽波峰相关输出，并从用于确定SPS接收机位置信息的测量值中丢弃所述宽波峰相关输出，该所述SPS接收机接收所述的第一组SPS信号。
55.如权利要求50所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在远程处理系统接收表示所述到达时间的所述测量值，并接收所述标识，所述远程处理系统通过蜂窝无线电频率网络通信耦合到所述的SPS接收机。
56.一种处理卫星定位系统(SPS)信号的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤根据基于小区的信息源确定表示SPS信号在SPS接收机所在位置的传播方式的信号环境；确定如何根据所述信号环境处理表示所述SPS接收机接收到的SPS信号的数据。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤确定表示SPS信号到达时间的测量值，所述测量值基于所述信号环境；发送表示在所述SPS接收机处SPS信号到达时间的所述测量值；在远程处理系统中通过蜂窝无线电频率通信链路接收表示到达时间的所述测量值；在所述远程处理系统中处理表示到达时间的所述测量值，以确定SPS接收机的位置解。
58.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述确定步骤确定了用于执行至少一个SPS卫星发出SPS信号的到达时间测量值的积分时间。
59.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述一组代码相位包括所述多个SPS信号中每个信号的一个完整的代码帧。
60.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤为不满足预定错误门限标准的SPS信号纠正到达时间测量值。
61.如权利要求27所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤根据所述环境数据的至少一部分计算位置。
62.如权利要求60所述的方法，其特征在于，所述预定的错误门限标准包含所述多个卫星中一个或多个卫星发送的多路径信号引起的多个峰值。
63.如权利要求34所述的SPS接收机装置，其特征在于，所述卫星信号的所述特征通过所述通信链路发送到所述基站，所述特征用于得出所述环境数据。
64.如权利要求46所述的方法，其特征在于，还包括确定SPS到达时间测量值；用基于所述信号环境的偏移调整纠正所述的到达时间测量值。
65.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述表征所述信号环境包含确定蜂窝通信系统接收的蜂窝通信信号的信噪比、信号干扰比、信号强度、或峰宽值中的至少一个，其中所述SPS接收机和所述蜂窝通信系统相互耦合，是组合系统的一部分。
66.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述确定所述信号环境数据包含确定蜂窝通信系统接收的蜂窝通信信号的信噪比、信号干扰比、信号强度、或峰宽值中的至少一个，其中所述SPS接收机和所述蜂窝通信系统相互耦合，是组合系统的一部分。
全文摘要
本发明揭示了用于卫星定位系统(SPS)信号测量值处理的方法和装置。SPS接收机接收从相应的多个SPS卫星发出的多个SPS信号。表征SPS接收机所在位置对应的信号环境以产生信号环境数据。在一个典型的实施例中,搜索信息源,如基于蜂窝网的数据库,以检索能给出GPS接收机大概位置的信号环境数据。可以通过蜂窝式无线通信中的小区站点位置确定该大概位置,该蜂窝式无线通信带有与GPS接收机在同一地点的蜂窝通信装置。定义一个或多个关于卫星信号信号特征的参数。用信号环境数据确定参数的门限值。测量多个卫星发出的各个卫星信号到达时间的代码相位。用参数的门限值检验表示测量到的到达时间的数据,以产生一组到达时间,从中计算出GPS接收机的位置坐标。此外还描述了本发明其它实施例的其它方法和装置。
文档编号H04B7/185GK1351716SQ00805127
公开日2002年5月29日 申请日期2000年1月24日 优先权日1999年2月1日
发明者L·希恩布拉特, N·F·克拉斯纳 申请人:施耐普特拉克股份有限公司