獲取衛星數據的方法
2023-12-06 13:47:31 3
專利名稱：獲取衛星數據的方法
技術領域：
本發明涉及一種方法，包括RNSS(無線電導航衛星系統)衛星無線電導航接收機的行動裝置通過這種方法獲取衛星數據。
背景技術：
在行動電話的領域中，日益證明了能夠對行動電話進行定位是非常必要的。
為此，現有技術中已知可以將例如屬於全球移動通信系統(GSM)行動電話類型的蜂窩無線電話設備與諸如全球定位系統(GPS)、GLONASS(全球導航衛星系統)或GALILEO(伽利略全球衛星定位系統)類型的接收機之類的無線電導航衛星系統(RNSS)接收機相關聯，通過這種RNSS接收機，行動裝置拾取(pick up)來自衛星的傳輸數據以確定該行動裝置的位置。因此，例如在道路交通事故的情況下，行動裝置可以計算並發送其位置。
可以以下述方式確定設備的位置多個衛星連續地發射具有時戳的信號，該信號由接收機所拾取。如果該接收機與衛星的時鐘同步，則該接收機可以隨後測量該信號的傳播時間並從中推斷該接收機與特定衛星之間的距離。利用三個衛星，上述類型的接收機可以通過三角測量(triangulation)確定其位置。每個傳播時間測量值代表一個以特定衛星為中心的球體的半徑，該接收機位於該球體上。利用兩個距離測量值，接收機的位置在由兩個球體的相交所形成的圓內。同時得到的第三個測量值將相交區域減小為兩個點，其中一個點在空間上的距離相去甚遠，可以很容易地排除。
在採用RNSS類型接收機的衛星定位系統中，實現對接收機位置進行計算的數據信號來自不同的衛星(最少4個衛星以確定4個未知參數x、y、z和t)。
每個衛星發射的GPS信號都基於擴頻技術。因此該信號是採用碼分多址(CDMA)技術利用頻率已經擴展的信號進行調製的二進位數據信號。換言之，該數據信號的每個比特由每個衛星特有的擴展序列所代替。以50bps(0.02秒/比特)的速度採用串行模式對該數據進行傳輸。以高得多的速率對諸如Gold類型的偽隨機序列之類的擴展序列進行傳輸Gold序列可以看作以明確定義的時鐘周期定時的一系列比特；術語「碼瞬間」(code moment)或更常用的術語「碼片」(chip)意指序列的一個比特，並且可以延伸為意指序列的一個比特的持續時間。因此，擴展序列以1.023兆碼片/秒(因此一個碼片的持續時間大約為1μs)的速率進行發送並且包括1023個碼片(即該擴展序列具有1ms的持續時間)；因此，每一數據比特對應20個重複的序列。
作為用擴頻信號進行調製的結果，標準解調器將接收信號看作是噪聲。
作為一般規則，兩個信號fi(t)與fj(t)的相關函數f(τ)由方程f=+-fi(t).fj(t-).dt]]>給出，其中τ表示時間變量。當然，實際上，並不是從-∞到+∞取積分，而是在有限的時間段上取積分，用該積分除以所述時間段的持續時間。如果函數fi(t)和fj(t)相同，則使用術語「自相關函數」(autocorrelation function)，並且如果函數fi(t)和fj(t)不同，則使用術語「互相關函數」(intercorrelation function)。
每個衛星k具有其自己的偽隨機信號ck(t)。每個這種偽隨機信號具有這樣的特性，即除非在時間偏移為零的位置附近(在該處其呈現三角形狀)，否則其自相關函數為零。換言之，當τ為非零值時積分+-ck(t).ck(t-).dt]]>為零，並且當τ為零時該積分最大。
此外，選擇與不同的衛星相關聯的信號，以使這些信號的互相關函數為零；換言之，當k和k』不同時，不論τ的值如何，積分+-ck(t).ck(t-).dt]]>都為零。
因此，將來自衛星的擴頻信號選擇為正交的。
當接收機試圖從特定衛星那裡獲取信號時，其使所接收的信號與其尋找的衛星的偽隨機序列(將該衛星的序列永久性地分配給該衛星並且在該衛星的服務壽命期間都不再改變)的副本相關。
因此，所接收信號S(t)是由每個衛星發射的所有信號的和S(t)=k=1nck(t).dk(t),]]>其中n是衛星的數目，ck(t)是來自衛星k的擴頻信號，並且dk(t)是來自衛星k的數據。
當試圖從衛星m那裡獲取信號時，本地副本對應於信號cm(t)。相應地，在進行相關之後，並且假定擴頻信號都完全正交，去掉來自除所尋找的衛星(對於該衛星互相關函數為零)之外的衛星的所有數據，從而只保留來自衛星m的數據。可以進行相關是因為擴展序列的持續時間是數據比特的持續時間的二十分之一。
因此，信號獲取階段包括計算所接收的信號與所尋找的衛星碼(satellite code)的本地副本在一個等於該代碼的周期(其為1ms)的時間段上且具有依賴於所需的檢測性能的深度(積分的範圍)的相關函數。接收機延遲該副本的開始時間以獲得三角形相關峰值。因此該延遲的值是信號從衛星傳播到用戶所耗費的時間。這種類型的測量需要極高的精確度(好於100ns)。信號通過該距離所耗費的時間的量級是100ms。然而，由於GPS接收機的時鐘始終不能與衛星的時鐘完全同步，因此接收機必須通過連續近似(successive approximation)的處理持續地校準Q其時鐘以獲得兩個信號的最大相關。因此，信號的獲取需要接收機使用時基掃描(time sweep)。
此外，以已知頻率1575.42MHz對每個衛星發射的信號進行發送。衛星的都卜勒效應與接收機本地時鐘不確定性相疊加，導致了關於GPS接收機接收到的信號的±5kHz的不確定性。現在，為了獲得良好的相關性，接收機本地產生的信號必須具有與衛星發射的信號相同的頻率。因此，除了時基掃描之外，接收機還必須進行頻率掃描以便確定信號從衛星傳播到用戶所耗費的時間。
上面提及的時基掃描和頻率掃描意味著很長的數據處理時間，並且要求接收機必須具有很高的計算能力。
一種解決方案是使用伺服器來輔助行動裝置的GPS接收機，通過減小需要掃描的時間-頻率區域來提高接收機的靈敏度。文獻「室內GPS技術」(Indoor GPS Technology)(F.van Diggelen等人在2001年5月在達拉斯(Dallas)舉行的CTIA(美國無線通信與網際網路協會)無線議程(Wirless-Agenda)大會上發表)中描述了這種類型的伺服器。這種技術稱作輔助GPS(A-GPS)技術。圖1示出了使用這類輔助伺服器5的電信系統1。包括GPS接收機的行動裝置2(諸如GSM類型的電話網絡4的行動電話)試圖根據由至少一個衛星S1-S4發射的信號P1-P4來計算其位置。為此，設備2通過電話網絡4以無線信號的形式發送請求R。請求R經過與行動裝置2所處的小區相關聯的基站收發信機(BTS)類型的無線基站3。伺服器5對請求R進行處理，伺服器5經由配備接收信息K的GPS接收機的固定無線站6實時地接收衛星信息。響應於請求R，伺服器5向行動裝置2發送信息I，信息I經過BTS 3。該信息包含例如衛星S1-S4的曆書(ephemeris)。利用該信息，行動裝置2可以確定衛星的都卜勒效應並顯著地簡化其頻率掃描。注意，有兩類A-GPS技術，即基於移動臺(MS-based)的技術和移動臺輔助(MS-assisted)的技術。在基於移動臺的技術的情況下，行動裝置2的位置由行動裝置本身來計算。在移動臺輔助的技術的情況下，行動裝置2的位置由伺服器5來計算。
然而，在採用這種解決方案時，仍存在某些困難。實際上，上述解決方案的一個缺點在於連續且獨立地獲取每個衛星的數據(確定信號傳播時間，通常稱作導航信號獲取)，這種類型的獲取導致了很長的數據處理時間。
本發明的目的是提供一種用於通過包括RNSS衛星無線電導航接收機的行動裝置來獲取衛星數據的快速方法。
發明內容
為此，本發明提出了一種用於通過包括RNSS衛星無線電導航接收機的行動裝置來獲取衛星數據的方法，所述方法包括下列步驟-所述接收機接收由多個衛星發射的信號，並且所述信號對應於分別由衛星發射且分別由所述衛星特有的擴頻信號調製的信號的和；-所述接收機產生多個本地副本，每個本地副本都是衛星特有的擴頻信號的副本；-通過利用由輔助伺服器發送給所述行動裝置的輔助數據補償每個所述衛星的都卜勒效應來對每個所述本地副本的頻率進行校正；-對所述多個已校正副本求和；以及-確定所述多個已校正副本的和與所述衛星數據信號之間的作為時間的函數的相關函數。
根據本發明，相關值是從衛星接收的信號與假定存在於接收信號中的所有衛星的本地副本的和之間的相關值。以這種方式，確定一個單獨的相關函數，而不是針對每個本地副本獨立地確定多個連續的相關函數。因此，數據獲取要快得多，原因是用一個單獨的計算取代了多個相關函數計算。隨後只需將每個相關峰值與特定衛星相關聯即可。只使用每個衛星的都卜勒效應的頻率校正以獲得正確地顯示出相關峰值(每個相關峰值與一個衛星相關聯)的相關函數，就可能實現這種解決方案。
所述方法有利地包括識別與由所述相關函數所呈現的每個相關峰值相關聯的每個衛星。
如果對至少一個衛星的識別包括下列步驟，則將是特別有利的-識別與相關峰值相關聯的同步時間；-確定針對所述同步時間計算的每個所述已校正副本與所述衛星數據信號之間的多個相關值；以及-根據所述相關值識別與所述相關峰值相關聯的衛星。
所述峰值有利地是所述作為時間的函數的所述相關函數的主峰值。
在第一實施例中，在已經識別至少一個衛星之後，利用從輔助伺服器發送給所述行動裝置的輔助數據，所述輔助數據包括所述衛星的曆書以及所述行動裝置所處的小區的標識符，通過一方面確定所述已識別的衛星與所述移動終端之間的信號傳播時間差並且另一方面確定每個待識別的衛星與所述行動裝置之間的信號傳播時間差來識別每個其餘的衛星。
在第二實施例中，通過下列步驟識別每個所述衛星-識別與相關峰值相關聯的同步時間；-確定針對所述同步時間計算的每個所述已校正副本與所述衛星數據信號之間的多個相關值；以及-根據所述相關值識別與所述相關峰值相關聯的衛星。
有利地通過下列步驟確定所述作為時間的函數的相關函數-確定每個所述已校正副本的傅立葉變換；-對所述每個所述已校正副本的傅立葉變換求和；-確定所述衛星數據信號的傅立葉變換；-用所述衛星數據信號的傅立葉變換乘以每個所述傅立葉變換的和；以及-確定前一步驟所得乘積的傅立葉逆變換。
有利地在從輔助伺服器發送到所述行動裝置的輔助數據的輔助下，通過對每個所述衛星的都卜勒效應進行補償而實現對每個所述本地副本的所述頻率校正。
本發明還提供了一種用於實現根據上文所述的方法的RNSS衛星導航接收機，所述接收機適於接收由多個衛星發射的信號，並且所述信號對應於分別由衛星發射且分別由所述衛星特有的擴頻信號調製的信號的和，並且所述接收機包括-用於產生多個本地副本的裝置，每個所述本地副本都是衛星特有的擴頻信號的副本；-用於通過利用由輔助伺服器發送給所述接收機的輔助數據補償每個所述衛星的都卜勒效應來對每個所述本地副本的頻率進行校正的裝置；-加法器，適用於對所述已校正副本求和；以及-用於計算所述已校正副本的每個和與所述衛星數據信號之間的作為時間的函數的相關函數的裝置。
本發明最後提供了一種結合了根據本發明的接收機的行動裝置。
在以下對通過說明性且非限制性的示例而給出的本發明的一個實施例進行描述的過程中，本發明的其他特徵和優點將變得明顯。
圖1示出了現有技術的電信系統；圖2示出了採用本發明的獲取方法的接收機；圖3示出了說明本發明的獲取方法的操作的相關曲線圖。
具體實施例方式
已經結合現有技術描述了圖1。
圖2示出了集成到行動裝置(未示出，諸如GSM類型的電話網絡中的行動電話)中的GPS接收機10。接收機10接收信號S(t)，該信號是每個衛星發射的所有信號的和S(t)=k=1nck(t).dk(t),]]>其中n是衛星的數目，ck(t)是來自衛星k的擴頻信號，並且dk(t)是從衛星k接收的數據。為了說明本發明而同時又不使附圖過於複雜，在此考慮的情形是n＝3的情形，但是通常必須使用至少4個接收機。
接收機10包括-第一、第二、第三和第四傅立葉變換計算裝置，分別用41、31、32和33來表示；-第一、第二和第三本地副本產生裝置，分別用11、12和13來表示；-第一、第二和第三頻率校正裝置，分別用21、22和23來表示；-傅立葉逆變換計算裝置51；-加法器61；以及
-乘法器71。
第一、第二和第三本地副本產生裝置11、12和13分別產生三個衛星特有的擴頻信號C1、C2和C3的本地副本RS1、RS2和RS3。
集成了接收機10的行動裝置通過電話網絡以無線信號的形式發送請求。該請求經過與行動裝置所處的小區相關聯的基站收發信機(BTS)類型的無線基站，並由輔助伺服器進行處理，該輔助伺服器經由配備接收衛星信息的GPS接收機的固定無線站實時地接收衛星信息。響應於該請求，伺服器向行動裝置發送一個信息，該信息特別地包括三個衛星的曆書、行動裝置所處的小區的標識符以及三個衛星的GPS時間。利用該信息，第一、第二和第三頻率校正裝置21、22和23分別能夠確定衛星的都卜勒效應並能夠通過考慮每個衛星的都卜勒效應而對本地副本RS1、RS2和RS3的頻率進行校正來顯著地簡化頻率掃描。這得到三個已校正副本CD1、CD2和CD3。
第二、第三和第四傅立葉變換計算裝置31、32和33分別計算已校正副本CD1、CD2和CD3的傅立葉變換TF1、TF2和TF3。
與此類似，第一傅立葉變換計算裝置41計算接收信號S(t)的傅立葉變換TF4。
加法器61計算已校正副本CD1、CD2和CD3的三個傅立葉變換TF1、TF2和TF3的和∑。
乘法器71計算傅立葉變換TF4與和∑的乘積P。
傅立葉逆變換計算裝置51確定乘積P的傅立葉逆變換F(t)。
信號F(t)對應於每個已校正副本CD1、CD2和CD3的和與衛星數據信號S(t)之間的作為時間的函數的相關值。
圖3示出了說明本發明的方法的相關曲線圖。
曲線圖1包括代表每個已校正副本CD1、CD2和CD3的和∑與衛星數據信號S(t)之間的作為時間變量t的函數的相關函數F的曲線。
該曲線具有三個峰值P1、P2和P3，其中心分別在對應於衛星與GPS接收機10的同步時間的時間t1、t2和t3上。
第一、第二和第三頻率校正裝置21、22和23分別對每個衛星的都卜勒效應進行的校正清楚地顯示出與特定衛星相關聯的每個相關峰值。
然後剩下的就是將每個峰值P1、P2和P3與衛星之一相關聯。
一種用於識別峰值的解決方案包括，首先確定具有最高級別的峰值，在此該峰值為中心在時間t2上的峰值P2。該時間t2對應於待識別的衛星與GPS接收機10的同步時間。
只針對時間t2計算每個已校正信號CD1、CD2和CD3與S(t)的相關值可以識別出與峰值P2相關聯的衛星，最高的相關值對應於所尋找的衛星。
因此，只需要在時間t2處的三個相關值來確定與峰值P2相關聯的衛星。
可以針對其他的峰值P1和P3重複這種操作。
然而，同樣可以基於對與峰值P2相關聯的衛星的識別，根據下述步驟識別與峰值P1和P3相關聯的衛星。
識別與峰值P2相關聯的衛星得到GPS時間。
由輔助伺服器發送的輔助數據包含三個衛星的曆書以及行動裝置所處的小區的標識符。
然後，可以根據該曆書和GPS時間來確定三個衛星的位置。
同樣，小區的標識符給出了行動裝置的位置的數量級。
從衛星和行動裝置的位置可以推導出信號經過每個衛星與行動裝置之間的距離所必需的時間T1、T2和T3。
假定T2是數據信號經過已識別的衛星與行動裝置之間的距離所必需的時間。
將時間差T2-T1和T2-T3的絕對值與時間差t2-t1和t2-t3的絕對值進行比較，可以識別峰值的中心在t1和t3上的那兩個其餘的衛星。
當然，本發明不限於剛剛已經描述的實施例。
因此，已經將相關函數F(t)描述為利用傅立葉變換來確定，但是同樣也可以考慮使用其他的方法，特別是直接應用由下式給出的兩個信號fi(t)和fj(t)的相關函數F(τ)的定義f=+-fi(t).fj(t-).dt.]]>此外，對都卜勒效應的校正並非一定意味著系統地請求輔助數據；同樣可以考慮將都卜勒效應存儲在GPS接收機的存儲器中並多次使用而不必對其進行更新。
同樣應當注意，可以在假定存在於接收信號中的所有副本上或只在一個至少包含兩個這些副本的子集上實現所述求和。
權利要求
1.一種使用包括RNSS衛星無線電導航接收機的行動裝置獲取衛星數據的方法，所述方法包括下列步驟-所述接收機接收由多個衛星發射的信號，並且所述信號對應於分別由衛星發射且分別由所述衛星特有的擴頻信號調製的信號的和；-所述接收機產生多個本地副本，每個本地副本都是衛星特有的擴頻信號的副本；-通過利用由輔助伺服器發送給所述行動裝置的輔助數據補償每個所述衛星的都卜勒效應來對每個所述本地副本的頻率進行校正；-對所述多個已校正副本求和；以及-確定所述多個已校正副本的和與所述衛星數據信號之間的作為時間的函數的相關函數。
2.根據權利要求1所述的方法，包括識別與由所述相關函數所呈現的每個相關峰值相關聯的每個衛星。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述對至少一個衛星的識別包括下列步驟-識別與相關峰值相關聯的同步時間；-確定針對所述同步時間計算的每個所述已校正副本與所述衛星數據信號之間的多個相關值；以及-根據所述相關值識別與所述相關峰值相關聯的衛星。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述峰值是所述作為時間的函數的相關函數的主峰值。
5.根據權利要求3或權利要求4所述的方法，其中在已經識別至少一個衛星之後，利用從輔助伺服器發送給所述行動裝置的輔助數據，所述輔助數據包括所述衛星的曆書以及所述行動裝置所處的小區的標識符，通過一方面確定所述已識別的衛星與所述移動終端之間的信號傳播時間差並且另一方面確定每個待識別的衛星與所述行動裝置之間的信號傳播時間差來識別每個其餘的衛星。
6.根據權利要求2所述的方法，其中通過下列步驟識別每個所述衛星-識別與相關峰值相關聯的同步時間；-確定針對所述同步時間計算的每個所述已校正副本與所述衛星數據信號之間的多個相關值；以及-根據所述相關值識別與所述相關峰值相關聯的衛星。
7.根據前述權利要求之任一項所述的方法，其中通過下列步驟確定所述作為時間的函數的相關函數-確定每個所述已校正副本的傅立葉變換；-對所述每個所述已校正副本的傅立葉變換求和；-確定所述衛星數據信號的傅立葉變換；-用所述衛星數據信號的傅立葉變換乘以每個所述傅立葉變換的和；以及-確定前一步驟所得乘積的傅立葉逆變換。
8.一種RNSS衛星導航接收機，用於實現根據前述權利要求之任一項所述的方法，所述接收機適於接收由多個衛星發射的信號，並且所述信號對應於分別由衛星發射且分別由所述衛星特有的擴頻信號調製的信號的和，並且所述接收機包括-用於產生多個本地副本的裝置，每個所述本地副本都是衛星特有的擴頻信號的副本；-用於通過利用由輔助伺服器發送給所述接收機的輔助數據補償每個所述衛星的都卜勒效應來對每個所述本地副本的頻率進行校正的裝置；-加法器，適用於對所述已校正副本求和；以及-用於計算所述已校正副本的每個和與所述衛星數據信號之間的作為時間的函數的相關函數的裝置。
9.一種行動裝置，其包括根據權利要求8所述的RNSS衛星導航接收機。
全文摘要
本發明涉及一種用於使用包括無線電導航衛星(RNSS)接收機(10)的行動裝置獲取衛星數據的方法。本發明方法包括下列步驟，即由接收機(10)接收由多個衛星發射的信號S(t)，所述信號對應於分別由衛星發射並由該衛星特有的擴頻信號調製的信號的和；產生由接收機(10)產生的多個本地副本RS1、RS2、RS3，每個所述副本都是來自衛星特有的擴頻信號的副本；通過補償每個衛星的都卜勒效應，對每個本地副本進行頻率校正；對多個已校正副本CD1、CD2、CD3求和；以及確定所述多個已校正副本的和與衛星數據信號S(t)之間的作為時間的函數的相關函數F(t)。
文檔編號G01S1/00GK1886672SQ200480035394
公開日2006年12月27日 申請日期2004年11月22日 優先權日2003年12月1日
發明者米歇爾·莫內拉 申請人:阿爾卡特公司