專利名稱：時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)。本發(fā)明主要要求的是在弱信號(hào)環(huán)境中獲得精確的時(shí)間基準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPQ被廣泛應(yīng)用于定時(shí)。GPS定時(shí)接收器一般被用來為例如蜂窩式便攜電話基站中的電信系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。在這種情況下，需要精確到幾毫微秒以內(nèi)的時(shí)間基準(zhǔn)。通常，具有這種精度的已知接收器需要能夠清楚地看到天空。對(duì)于室內(nèi)裝置，如大部分的電信設(shè)備的情況，上述需要就使得對(duì)室外天線、電纜以及相關(guān)聯(lián)的接口的使用成為必需。這種配置的成本和安裝時(shí)間都很高，從而制約了例如微微蜂窩(picocell)基站在室內(nèi)的安裝。傳統(tǒng)技術(shù)中，GPS系統(tǒng)從包含星期時(shí)間(TOW)數(shù)據(jù)序列的低頻衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)獲取時(shí)間基準(zhǔn)。這具有足以確認(rèn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的低分辨率。通過識(shí)別數(shù)據(jù)內(nèi)的子幀邊緣獲得了針對(duì)時(shí)間的高分辨率，這使得時(shí)間的不定性從6秒減小到了 20毫秒。另外還已知的是， 為了檢測(cè)數(shù)據(jù)位邊緣，需將20ms的不定性減小到1ms，并且為使內(nèi)部代碼基準(zhǔn)與發(fā)送的傳播代碼校準(zhǔn)并測(cè)量傳播代碼相位，需將不定性減小到不足1 μ s。實(shí)際中，這樣的測(cè)量類似于偽距測(cè)量，這些測(cè)量直到定位引擎(例如，卡爾曼濾波器)已產(chǎn)生出位置-速度-時(shí)間 (PVT)解的收斂來考慮在信號(hào)通信過程中發(fā)生的從GPS星座中的多個(gè)衛(wèi)星到接收器的信號(hào)延遲時(shí)間為止都含有未修正的誤差。例如在建筑物之間或建筑物內(nèi)部之類的狹窄空間中可能出現(xiàn)弱信號(hào)環(huán)境，在這樣的弱信號(hào)環(huán)境中不能使用上述方法，因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)太弱以致于無法對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼。無法對(duì)包含必要的衛(wèi)星星歷及鐘差的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的問題可以通過將相同的信息經(jīng)通信鏈路饋送到接收器的方式來克服。然而通常無法以這種方式發(fā)送精確的時(shí)間基準(zhǔn)，并且一般來說所能實(shí)現(xiàn)的最佳情況是精確到大約1秒的粗略的時(shí)間基準(zhǔn)。對(duì)于接收器來說該粗略的時(shí)間基準(zhǔn)足夠用來建立對(duì)衛(wèi)星在天空中位置的初始評(píng)估，但是對(duì)于精確的位置解來說則是不夠的。因此，用于弱信號(hào)環(huán)境中的GPS接收器必須執(zhí)行其他處理來獲得更精確的時(shí)間基準(zhǔn)。對(duì)PVT解的計(jì)算包括求解一組等式，這些等式包含由來自不同衛(wèi)星的連續(xù)到達(dá)時(shí)間的測(cè)量而得到的數(shù)據(jù)。該計(jì)算由卡爾曼濾波器來有效地執(zhí)行，并且如果有足夠的時(shí)間則能夠?qū)С鼍_的位置解?？柭鼮V波器使關(guān)于每個(gè)觀察到的衛(wèi)星而產(chǎn)生的模糊度歸結(jié)為一個(gè)單一且一致的集合，從而隨著時(shí)間的過去使該集合與初始位置、多普勒位移以及SV(宇宙飛船)移動(dòng)相匹配。然而絕對(duì)時(shí)間的問題仍未解決，絕對(duì)時(shí)間不定性在+/-30ms的量級(jí)或更大。不精確性取決于許多方面的影響，不僅包括信號(hào)級(jí)，還包括多路徑影響以及其他類型的干擾
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)弱信號(hào)環(huán)境提供基準(zhǔn)時(shí)間解，從而避免了需要天線來清楚地
看到天空。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，包括衛(wèi)星信號(hào)接收器，其具有射頻級(jí)和相關(guān)器，其中射頻級(jí)用于從多個(gè)衛(wèi)星接收編碼調(diào)制信號(hào)并對(duì)這些編碼調(diào)制信號(hào)進(jìn)行降頻變換，相關(guān)器接收、 跟蹤并解碼經(jīng)降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以提供包含了針對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的部分偽距測(cè)量的信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用來從源接收包含輔助數(shù)據(jù)的信號(hào)，該信號(hào)是除了被接收并被降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以及包含了部分偽距測(cè)量的信號(hào)以外的信號(hào)，該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由接收到的衛(wèi)星信號(hào)所承載的低頻數(shù)據(jù)位流的位邊緣， 該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行對(duì)低頻數(shù)據(jù)流中的預(yù)選數(shù)據(jù)序列的相關(guān)以求解出時(shí)間模糊度， 并且該數(shù)據(jù)處理裝置還用來根據(jù)輔助數(shù)據(jù)、來自衛(wèi)星信號(hào)接收器的部分偽距測(cè)量輸出和編碼跟蹤輸出、數(shù)據(jù)位同步以及數(shù)據(jù)序列相關(guān)來計(jì)算時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。通常，輔助數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星星歷和/或衛(wèi)星歷書信息，可將該信息從例如電信網(wǎng)絡(luò)饋送到數(shù)據(jù)處理裝置中，使用強(qiáng)信號(hào)環(huán)境中的遠(yuǎn)程衛(wèi)星信號(hào)接收器在別處生成該輔助數(shù)據(jù)。該時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)優(yōu)選地包括鎖頻環(huán)，其至少部分地包含在衛(wèi)星信號(hào)接收器中并可操作來生成多普勒位移信號(hào)用以表示由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒位移，其中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理裝置被配置成響應(yīng)多普勒位移信號(hào)來修改數(shù)據(jù)位同步。因此，為了補(bǔ)償任何頻率偏移，優(yōu)選地在數(shù)據(jù)處理裝置中使用反饋回路來改善數(shù)據(jù)位同步的精確度。數(shù)據(jù)處理裝置還被優(yōu)選地配置成使用根據(jù)部分偽距測(cè)量以及優(yōu)選地根據(jù)多普勒測(cè)量所產(chǎn)生的位置-速度-時(shí)間評(píng)估來提供一個(gè)初步時(shí)間解，該初步時(shí)間解通常具有與低頻數(shù)據(jù)流的1到5個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間相等的時(shí)間不定性?？墒褂媚：惹蠼馑惴▉硖峁┽槍?duì)所述測(cè)量和輔助數(shù)據(jù)的最佳匹配?？筛鶕?jù)從接收器接收信號(hào)所用到的一個(gè)選中衛(wèi)星接收到的信號(hào)來使用數(shù)據(jù)位同步的結(jié)果和預(yù)選數(shù)據(jù)序列相關(guān)的結(jié)果執(zhí)行中間模糊度求解 (intermediate ambiguity resolution)禾口時(shí)間角軍(time solution)調(diào)整。優(yōu)選地，口向應(yīng)編碼跟蹤輸出來執(zhí)行時(shí)間解的進(jìn)一步調(diào)整，從而產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。預(yù)選數(shù)據(jù)序列可包含重復(fù)的數(shù)據(jù)模式。在GPS情況下，低頻數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)位前置序列就是這樣的模式。在此情況下，處理裝置被配置成使得數(shù)據(jù)序列的相關(guān)包含信號(hào)與預(yù)期數(shù)據(jù)模式的相關(guān)，其中預(yù)期數(shù)據(jù)模式是從接收器接收信號(hào)所用到的至少一個(gè)衛(wèi)星接收到的信號(hào)的數(shù)據(jù)流中重復(fù)數(shù)據(jù)模式的連續(xù)實(shí)例當(dāng)中的一個(gè)?？蛇x地，動(dòng)態(tài)地(on the fly) 對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行選擇。換句話說，選擇是一個(gè)實(shí)時(shí)發(fā)生的動(dòng)態(tài)處理。該選擇可以利用輔助數(shù)據(jù)，或者可以通過基于先前接收到的數(shù)據(jù)序列或基于輔助數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)處理來執(zhí)行。這些情況下，可以配置處理裝置來執(zhí)行對(duì)潛在數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)模式的自相關(guān)，選擇基于與平均值或次級(jí)(secondary)值相比自相關(guān)最大的性質(zhì)(quality)。在任何一種情況下，可通過結(jié)合相干積分與非相干積分來執(zhí)行數(shù)據(jù)流中輸入數(shù)據(jù)的相關(guān)。通常，當(dāng)使用鎖頻環(huán)來改善數(shù)據(jù)位同步時(shí)，提供一個(gè)時(shí)間精確度不高于 +/-1 Ims (典型地不高于+/-15ms)的初步PVT解，該解為多個(gè)偽距時(shí)間解選項(xiàng)的形式，其中的一個(gè)偽距時(shí)間解選項(xiàng)精確到+/_3ms范圍內(nèi)。用以識(shí)別最精確時(shí)間解選項(xiàng)的相關(guān)操作可包括在不長于鎖頻環(huán)頻率穩(wěn)定度倒數(shù)的間隔上使用相干積分對(duì)預(yù)選數(shù)據(jù)序列進(jìn)行的相關(guān)。對(duì)最精確時(shí)間解選項(xiàng)進(jìn)行選擇的操作可包括在一個(gè)更長的間隔上對(duì)以上相干積分的結(jié)果進(jìn)行非相干積分。在鎖頻環(huán)的頻率穩(wěn)定度很差的情況下，可使用比GPS前置序列短的重復(fù)數(shù)據(jù)序列。可選地，可使用差分解調(diào)相關(guān)，從而將要被匹配的模式不是導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而是數(shù)據(jù)流的連續(xù)位的差分解調(diào)，在這種情況下可使用(比頻率穩(wěn)定度的倒數(shù))更長的數(shù)據(jù)位序列。如果使用了非重復(fù)數(shù)據(jù)序列，則預(yù)選操作包括確定序列針對(duì)相關(guān)操作的適用性 (即，避免以下序列在各個(gè)序列中數(shù)據(jù)值不改變的序列，或者例如在各個(gè)序列中數(shù)據(jù)值在高值和低值之間簡單交替的序列)。優(yōu)選的是，使用16位或更少數(shù)據(jù)位的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)序列來進(jìn)行模式匹配，最優(yōu)選的是使用8位或更少數(shù)據(jù)位的序列。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的方法，該方法包括對(duì)星座中多個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、降頻變換和跟蹤以產(chǎn)生多個(gè)接收器輸出信號(hào)；從源接收除了直接接收到的衛(wèi)星信號(hào)以外的輔助數(shù)據(jù)；以及根據(jù)接收器輸出信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)來產(chǎn)生表示了初步時(shí)間解的信號(hào)；對(duì)至少一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)流中的預(yù)選數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)以求解出初步時(shí)間解中的時(shí)間模糊度， 從而生成一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，其表示了精確度高于+/-Ims的時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的方法，該方法包括對(duì)星座中多個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、降頻變換和跟蹤以產(chǎn)生多個(gè)接收器輸出信號(hào)；從源接收除了直接接收到的衛(wèi)星信號(hào)以外的輔助數(shù)據(jù)；以及根據(jù)接收器輸出信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)來產(chǎn)生表示了初步時(shí)間解的信號(hào)；執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由至少一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)位流的位邊緣，該數(shù)據(jù)位同步包括了對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流的采樣執(zhí)行頻移補(bǔ)償積分，從而補(bǔ)償接收到的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)率的位移，如多普勒位移。


將參考附圖來通過示例描述本發(fā)明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)的框圖；圖2是示出GPS信號(hào)的波形圖；圖3是示出GPS信號(hào)所承載的低頻數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)格式的示圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生精確時(shí)間解的方法的流程圖；圖5是示出形成了圖4的流程圖的一部分的模式匹配處理的流程圖；圖6是示出包括GPS前置序列的低頻數(shù)據(jù)流的一部分的位示圖；圖7a、圖7b、圖7c和圖7d是示出在出現(xiàn)不同的在前位值和在后位值的情況下GPS 前置序列自相關(guān)特性的相關(guān)示意圖；圖8是表示GPS前置序列的差分相關(guān)的位示圖；圖9的示圖示出了針對(duì)不同的在前數(shù)據(jù)位值和在后數(shù)據(jù)位值的GPS差分解調(diào)前置序列的自相關(guān)特性；圖10的相關(guān)示圖示出了 GPS前置序列的中間部分的自相關(guān)特性；圖11是示出對(duì)_155dBm等級(jí)的輸入信號(hào)執(zhí)行模式匹配所花時(shí)間的示圖；圖12是示出使用GPS模擬器通過導(dǎo)航解算和PPS偏移量評(píng)估所得的時(shí)間誤差的示圖；圖13是示出獲得圖12的時(shí)間誤差示圖的導(dǎo)航解算中所使用的衛(wèi)星數(shù)量的示圖；圖14和圖15是使用室內(nèi)天線來代替GPS信號(hào)模擬器而獲得的對(duì)應(yīng)于圖12和圖 13的時(shí)間誤差示圖和衛(wèi)星數(shù)量示圖；圖16是示出使用室內(nèi)天線的衛(wèi)星的載波噪聲比(CNR)的示圖；圖17和圖18是使用不同的室內(nèi)天線的對(duì)應(yīng)于圖12和圖13的示圖；圖19是使用第二室內(nèi)天線獲得的CNR示圖；圖20和圖21是使用衰減的屋頂天線而獲得的對(duì)應(yīng)于圖12和圖13的時(shí)間誤差示圖和衛(wèi)星數(shù)量示圖；圖22和圖23是對(duì)應(yīng)于圖12和圖13的示圖，但使用的是利用GPS信號(hào)模擬器的低信號(hào)采集；圖M和圖25是對(duì)應(yīng)于圖12和圖13的示圖，但使用的是來自衰減的屋頂天線的低信號(hào)采集；以及圖沈是使用衰減的屋頂天線的衛(wèi)星的CNR示圖。
具體實(shí)施例方式對(duì)于GPS來說要在室內(nèi)環(huán)境中工作是極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，因?yàn)樾l(wèi)星與用戶之間的信號(hào)視線常常被遮蔽或被大大衰減，并且室內(nèi)接收器極易受到經(jīng)常出現(xiàn)在室內(nèi)的源所發(fā)出增大的干擾的影響，從而導(dǎo)致針對(duì)精確時(shí)間傳遞和準(zhǔn)確同步應(yīng)用的較差的實(shí)用性。另外還經(jīng)常存在大量的多路徑信號(hào)，這降低了可實(shí)現(xiàn)的定時(shí)精度。GPS定時(shí)性能通常受到接收器的以下能力的限制，即，解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的能力，以及在將定時(shí)不定性減小到毫秒級(jí)的情況下識(shí)別并解算出大約_145dBm以下信號(hào)的正確毫秒的能力。這是因?yàn)樵谠撎幚睃c(diǎn)，信號(hào)級(jí)太低以致于無法定位數(shù)據(jù)位之間的倒相以及無法解算出數(shù)據(jù)位，從而接收器可能不得不與數(shù)據(jù)位邊緣進(jìn)行不同步的積分。然而可通過A-GPS 鏈路向接收器提供輔助數(shù)據(jù)。一旦建立起一個(gè)定位(fix)，就可通過導(dǎo)航解算使GPS時(shí)間與本地時(shí)間之間的偏移量收斂，但該解算不允許在低信號(hào)級(jí)情況下進(jìn)行嚴(yán)格的毫秒同步。假設(shè)在多于四個(gè)衛(wèi)星的情況下，導(dǎo)航解算可將時(shí)間建立在大約士50ms。該數(shù)字取決于信號(hào)狀態(tài)并在下文中通過一些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果舉例說明。理想的是，如果導(dǎo)航解算可將時(shí)間收斂到大約士 10ms，則位同步算法能找到位轉(zhuǎn)移并因此求解出毫秒模糊度。然而，由于30到50ms的時(shí)間不定性，位同步算法能夠求解出毫秒模糊度，但仍留下了 20ms的模糊度。根據(jù)本發(fā)明，使用導(dǎo)航解算來將時(shí)間解改善為大約30到50ms，建立Ims位同步，求解出20ms模糊度，并由此獲得精確時(shí)間。為了消除時(shí)間不定性，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)建議的算法是使用GPS數(shù)據(jù)前置序列的重復(fù)結(jié)構(gòu)來求解出20ms模糊度。如下面所述，GPS前置序列在所需時(shí)間不定性上具有良好的自相關(guān)特性。公開并比較了使用這種自相關(guān)并求解出20ms模糊度的可選算法。在過去的幾年間，引入了多種技術(shù)來改善室內(nèi)GPS應(yīng)用(例如輔助GPS)的性能， 其中基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)提供導(dǎo)航消息、初始位置以及時(shí)間評(píng)估方面的幫助。這使得GPS接收器利用所得的靈敏度增益來增加了接收器內(nèi)的相干積分時(shí)間段。然而，由于相干積分時(shí)間段當(dāng)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位以及殘留頻率誤差而導(dǎo)致相干積分時(shí)間被限制在20ms。殘留頻率誤差是由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)、接收器時(shí)鐘不穩(wěn)定性以及用戶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)而引起的。傳統(tǒng)GPS接收器通常使用小于最大20ms相干時(shí)間段的積分時(shí)間段，因此它們的操作環(huán)境被限制在具有強(qiáng)信號(hào)(信號(hào)大于_145dBm)的環(huán)境中。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)使用能夠從ST-Ericsson獲得的GNS4540集成電路芯片。GNS4540是一種高性能的單芯片Ll GPS接收器芯片，其提供基帶信號(hào)處理。DSP 包含的固件在導(dǎo)航解算運(yùn)行在主處理器上時(shí)能控制GPS獲取和跟蹤，該主處理器可以是內(nèi)嵌系統(tǒng)上的處理器或者可以置于PC上。圖1是接收器芯片和主處理器的框圖。該系統(tǒng)能夠在諸如建筑物內(nèi)部或所謂的城市峽谷之類的信號(hào)級(jí)很差的困難環(huán)境中利用輔助數(shù)據(jù)并且對(duì)跨越更長的數(shù)據(jù)位進(jìn)行非相干的積分來處理信號(hào)，從而即使是在室內(nèi)環(huán)境中，也能增強(qiáng)整體接收的信號(hào)靈敏度，進(jìn)而改善信號(hào)獲取性并提供了高性能的定位。如在傳統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)接收器中一樣，GNS4540接收器芯片10具有射頻級(jí)的衛(wèi)星信號(hào)接收器IOA和基帶模塊10B，該射頻級(jí)的衛(wèi)星信號(hào)接收器IOA用于從多個(gè)衛(wèi)星接收編碼調(diào)制的信號(hào)并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行降頻變換，該基帶模塊IOB包括相關(guān)器引擎12來接收、跟蹤和解碼上述經(jīng)降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)，從而為各個(gè)衛(wèi)星提供包含了部分偽距測(cè)量的信號(hào)。數(shù)據(jù)處理主機(jī)系統(tǒng)14被配置成通過數(shù)據(jù)輔助端口 14A從諸如電信網(wǎng)絡(luò)之類的外部源接收包含輔助數(shù)據(jù)的信號(hào)，并且通過串行接口鏈路16來接收包含部分偽距測(cè)量的信號(hào)?！皞尉唷笔菍?duì)衛(wèi)星和接收器之間的信號(hào)路徑上的時(shí)間延遲的評(píng)估。該路徑延遲通常在70毫秒量級(jí)。GPS信號(hào)在圖2的波形圖中示出。1575. 42MHz的Ll載波被基本碼率為 1. 023MHz的偽隨機(jī)擴(kuò)展碼調(diào)制。每個(gè)碼片包含1540個(gè)載波周期。偽隨機(jī)碼(PRC)為1023 個(gè)碼片長(即，1毫秒)。該碼以IkHz速率重復(fù)。在一個(gè)低得多的頻率處用數(shù)據(jù)流對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。該低頻率或數(shù)據(jù)率為50Hz，也就是意味著一位數(shù)據(jù)流占20毫秒。該擴(kuò)展碼(PRC) 每毫秒重復(fù)一次，也就是意味著與碼進(jìn)行同步僅提供了偽距的小數(shù)部分(以毫秒為單位)。 偽距的整數(shù)毫秒部分通過其他方式來評(píng)估，傳統(tǒng)的方式是在每個(gè)將要使用的衛(wèi)星上解碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。接收器10具有鎖頻環(huán)(FLL)，與輸入載波同步的本地振蕩器10_1是該鎖頻環(huán)的一部分。相關(guān)引擎12包括碼環(huán)(code loop)，該碼環(huán)與產(chǎn)生小于1微秒分辨率并具有1毫秒模糊度的偽隨機(jī)碼(PRC)同步。之后不管數(shù)據(jù)是否被成功解碼，對(duì)于內(nèi)嵌的處理器子系統(tǒng)18或主機(jī)系統(tǒng)14來說都可以與50Hz低頻GPS導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)位傳輸進(jìn)行同步。 這就以20毫秒的模糊度產(chǎn)生了小于1毫秒的分辨率。參考圖3，由GPS數(shù)據(jù)信號(hào)表示的數(shù)據(jù)流包括25個(gè)數(shù)據(jù)幀，一共占12. 5分鐘。(這 25個(gè)幀每12. 5分鐘重復(fù)一次)。如圖3所示，每個(gè)數(shù)據(jù)幀占30秒并包含1500個(gè)數(shù)據(jù)率為 50Hz的數(shù)據(jù)位。每個(gè)幀包括5個(gè)子幀，子幀具有與時(shí)鐘參數(shù)、星歷(兩個(gè)子幀)、用于系統(tǒng)消息和歷書的子幀(子幀4)以及其他歷書(子幀5)有關(guān)的數(shù)據(jù)。每個(gè)子幀4包含25頁系統(tǒng)消息和歷書中的一頁，連續(xù)的30秒數(shù)據(jù)幀包含25頁中連續(xù)的一些頁。類似地，在子幀5中連續(xù)的30秒數(shù)據(jù)幀包含25頁歷書中連續(xù)的一些頁。每個(gè)子幀都為6秒長，并包含 50Hz數(shù)據(jù)流的300位，如圖所示這300位被分成10個(gè)數(shù)據(jù)字。在圖3中，“TLM”表示遙測(cè)字(“唯一字”)，“H0W”表示所謂的交接字，其包括T0W(星期時(shí)間)和子幀ID(身份)。每個(gè)字都具有M個(gè)或更多數(shù)據(jù)位加上6個(gè)奇偶校驗(yàn)位。(根據(jù)多于一個(gè)的字來計(jì)算奇偶校驗(yàn)位。)當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度足夠時(shí)，由主機(jī)系統(tǒng)14(圖1)通過解碼數(shù)據(jù)來執(zhí)行子幀同步，這產(chǎn)生了具有6秒模糊度的小于20毫秒的分辨率。在子幀中解碼數(shù)據(jù)提供了 1. 5秒星期時(shí)間 (TOff)以及星期數(shù)。如上所述在多個(gè)子幀上擴(kuò)展了諸如星歷/軌道和時(shí)鐘參數(shù)之類的附加數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的GPS接收器中通過讀取GPS信號(hào)的導(dǎo)航消息中的TOW數(shù)據(jù)來確定與衛(wèi)星傳送相關(guān)的絕對(duì)時(shí)間。每6秒在導(dǎo)航消息數(shù)據(jù)流中報(bào)告TOW計(jì)數(shù)，給出從當(dāng)前GPS周的起始開始所過去的時(shí)間。50Hz的數(shù)據(jù)流用Ims的GPS C/A碼轉(zhuǎn)移來對(duì)準(zhǔn)，以使得(具有20ms間隔的)數(shù)據(jù)位邊緣的到達(dá)時(shí)間將絕對(duì)發(fā)送時(shí)間解算為最接近20ms。C/A碼每Ims重復(fù)一次，因此在每Ims的GPS時(shí)間上模糊。精確同步到位邊界可以將絕對(duì)發(fā)送時(shí)間解算為1毫秒或更少。 GPS導(dǎo)航消息包括系統(tǒng)時(shí)間、衛(wèi)星星歷和歷書信息。在GPS接收器中，假設(shè)在4個(gè)或更多個(gè)衛(wèi)星的情況下，一旦導(dǎo)航解算將時(shí)間收斂， 并且獲得了來自至少4個(gè)不同衛(wèi)星的到達(dá)時(shí)間(ToA)測(cè)量，并且接收到有效衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)， 則能夠從解調(diào)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)子幀、數(shù)據(jù)位同步(以ms為單位)以及碼片計(jì)數(shù)與碼相位(以亞毫秒為單位，例如50ns)的結(jié)合來將時(shí)間恢復(fù)。在強(qiáng)信號(hào)級(jí)(信號(hào)高于_145dBm)情況下，可檢測(cè)數(shù)據(jù)位邊緣，載波跟蹤提供了數(shù)據(jù)位，并且子幀同步可被建立。隨后根據(jù)GPS數(shù)據(jù)流和易于檢測(cè)為亞毫秒的位邊緣來建立時(shí)間。定時(shí)性能受到接收器在信號(hào)低于_145dBm的情況下解算出正確數(shù)據(jù)的能力的限制。由此需要來自外部源的輔助數(shù)據(jù)來獲得有效衛(wèi)星軌道信息，這是因?yàn)榻邮掌鳠o法從接收到的信號(hào)中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)并且對(duì)于接收器來說無法同步到輸入位、字或子幀。一旦建立起一個(gè)定位，就能由導(dǎo)航解算將GPS時(shí)間與本地時(shí)間之間的偏移量收斂到優(yōu)于士50ms，但是該解算還不允許在低信號(hào)級(jí)的情況下進(jìn)行精確的毫秒同步。對(duì)于積分時(shí)間仍小于20ms但位邊緣被“模糊”的中間信號(hào)(處于_145dBm 到-150daii之間的信號(hào))，接收器對(duì)每個(gè)被跟蹤以尋找數(shù)據(jù)位邊緣的衛(wèi)星啟動(dòng)一個(gè)位同步累加器。所使用的位同步算法是一種從接收到的GPS信號(hào)提取定時(shí)信息的轉(zhuǎn)移檢測(cè)技術(shù)。 因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)位有20個(gè)C/A碼Ims信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間段，并且位邊緣與一個(gè)C/A碼的起始對(duì)準(zhǔn)， 所以位同步算法將假設(shè)的數(shù)據(jù)位時(shí)間段斷成20個(gè)Ims時(shí)隙。按照檢測(cè)到倒相的Ims時(shí)隙來將該檢測(cè)到的倒相添加到適當(dāng)?shù)姆e分器時(shí)隙。隨著時(shí)間的過去，這些時(shí)隙中的一個(gè)積分到比其他時(shí)隙高得多，并且使用閾值機(jī)構(gòu)來檢測(cè)正確的毫秒。更長的積分時(shí)間段增大了正確檢測(cè)數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移的可能性，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了更多的位轉(zhuǎn)移。同樣，更長的積分時(shí)間段提供了改進(jìn)的抗噪聲性。因此，在弱信號(hào)環(huán)境中，位同步算法可在長時(shí)間段中積分，并且假設(shè)輔助超過3秒，則僅僅需要單個(gè)成功的子幀解碼來建立精確時(shí)間。這可以在比連續(xù)無誤差數(shù)據(jù)解碼稍低的信號(hào)環(huán)境中(例如-150cffim的信號(hào)環(huán)境)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于更弱的信號(hào)(低于_150dBm)，從信號(hào)中只能提取出碼相位。因此，使用了類似于對(duì)中間信號(hào)所使用的位同步機(jī)構(gòu)。然而，弱信號(hào)所需的積分長度以及由時(shí)鐘偏移、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和例如用戶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)所引起的信號(hào)動(dòng)態(tài)使得位邊緣扭轉(zhuǎn)穿過(slew
9across)時(shí)隙。結(jié)果，位同步技術(shù)找到正確毫秒時(shí)隙的可能性更低。可以找到很少的定位了數(shù)據(jù)邊緣的相鄰毫秒，并將此稱為“近似毫秒同步”。對(duì)于導(dǎo)航解算來說使用這種方法已經(jīng)足夠，但是對(duì)于定時(shí)來說則不夠。因此就這一點(diǎn)來看，亞毫秒時(shí)間解顯示了良好的精確度， 但會(huì)面臨NX Ims的偏移量。在GPS接收器10的嵌入式處理器系統(tǒng)18中執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步。在低接收信號(hào)級(jí)情況下，盡管沒有能力解碼數(shù)據(jù)流，但仍然可以執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步。位同步的積分時(shí)間段被延長以適應(yīng)針對(duì)弱信號(hào)環(huán)境的位同步算法，所產(chǎn)生的結(jié)果是改善了發(fā)現(xiàn)位轉(zhuǎn)移的能力而無需相應(yīng)地增加遣散(dismissal)速率。通過使用閾值技術(shù)來改善閾值位同步算法，該閾值技術(shù)確保了具有最大能量的時(shí)隙與具有第二大能量的時(shí)隙間的比值大于預(yù)定閾值。因此，如果該比值小于閾值，則不做任何決定并且位同步算法被重新初始化。這種方法改善了位同步算法的魯棒性，尤其是在弱信號(hào)情況下或者是在積分時(shí)間段期間接收到的信號(hào)中缺少數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移的情形下。選擇閾值，從而在出現(xiàn)弱信號(hào)的情況下提供檢測(cè)正確毫秒時(shí)隙的最佳可能性，以及在位同步的誤差率與宣告發(fā)現(xiàn)位轉(zhuǎn)移所需的時(shí)間之間得到最佳平衡。閾值是信號(hào)強(qiáng)度、 積分時(shí)間段長度以及理想誤差率的函數(shù)。如果檢測(cè)閾值太高，則在弱信號(hào)級(jí)情況下檢測(cè)到位轉(zhuǎn)移的可能性就太低，這導(dǎo)致了增加的位轉(zhuǎn)移檢測(cè)時(shí)間。另一方面，低閾值會(huì)造成錯(cuò)誤報(bào)警，從而導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)正確毫秒時(shí)隙的可能性更低。如上所述，由于這樣的事實(shí)，即，因?yàn)榫哂姓_位邊緣的時(shí)隙所需的積分時(shí)間段超過檢測(cè)閾值很長，所以出現(xiàn)在GPS信號(hào)中的漂移和多普勒位移引起的頻率偏移量導(dǎo)致了位邊緣能夠扭轉(zhuǎn)穿過(slew cross)相鄰時(shí)隙，因此對(duì)于弱信號(hào)來正確檢測(cè)數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移的可能性被降低。為了補(bǔ)償任何頻率偏移量，使用反饋環(huán)來改善在長積分時(shí)間段中位同步評(píng)估的精確度。以此方式可以補(bǔ)償例如由本地接收器時(shí)鐘計(jì)時(shí)得到數(shù)據(jù)率為50Hz的數(shù)據(jù)流的多普勒位移?？墒褂们度胧教幚砥髯酉到y(tǒng)18(圖1)來以多種方式實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償功能。第一種方法必須將位同步處理擴(kuò)展到關(guān)于位的位置和頻率的二維搜索。在該方法中，位同步算法針對(duì)多個(gè)頻率偏移量上的不同種可能的位的位置來計(jì)算20個(gè)時(shí)隙。具有最大能量的時(shí)隙是積分正確對(duì)準(zhǔn)了數(shù)據(jù)位的位置的時(shí)隙。來自頻率窗口(bin)的20個(gè)時(shí)隙可被用來求解每個(gè)位的位置評(píng)估值。然而該方法在計(jì)算上的花費(fèi)很高。第二種方法涉及使用頻率跟蹤環(huán)來幫助進(jìn)行位同步算法，從而防止由于衛(wèi)星動(dòng)態(tài)的差異和改變所導(dǎo)致的位邊緣扭轉(zhuǎn)穿過相鄰時(shí)隙。第三種方法基于20ms積分從而增加了針對(duì)弱信號(hào)正確檢測(cè)數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移的可能性。然而該方法有很高的存儲(chǔ)要求?，F(xiàn)在參考圖4，圖4是示出由如上參考圖1所描述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)的嵌入式處理器子系統(tǒng)18和主數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14所執(zhí)行的軟件步驟的流程圖。開始，主機(jī)系統(tǒng)通過提供了星歷和歷書信息以及不精確時(shí)間值的數(shù)據(jù)輔助端口 14A(圖1)來收集輔助數(shù)據(jù)(步驟102)。 優(yōu)選的是位置輔助比IOOkm更近，以提供良好的整數(shù)1毫秒偽距分辨率。接著執(zhí)行對(duì)強(qiáng)SV(宇宙飛船)信號(hào)的搜索(步驟104)，并且如果找到了 SV，則使用來自至少一個(gè)SV的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)解碼來執(zhí)行位置-速度-時(shí)間解算(步驟106、108)。如果沒有定位到強(qiáng)信號(hào)，則通過嵌入式處理器子系統(tǒng)來執(zhí)行上述弱信號(hào)搜索(步驟110)。無論何時(shí)發(fā)現(xiàn)了 SV(步驟112)，都得開始上述位同步程序(步驟114)?？墒褂媒仆絹碚{(diào)整相干積分以改善靈敏度。當(dāng)定位了 4個(gè)SV時(shí)(步驟116)，即使是使用弱信號(hào)也可能獲得初始位置-速度-時(shí)間(PVT)解(步驟116、118)，取決于初始位置是否已知是在IOOkm以內(nèi)，可以使用計(jì)算得到的整數(shù)毫秒來提供位置解(步驟120)，或者使用附加的模糊度求解來提供位置解(步驟122)。總之，上述步驟增加了在非常弱的信號(hào)環(huán)境中正確檢測(cè)數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移的可能性。在接收器檢測(cè)到位轉(zhuǎn)移之后，開始按照導(dǎo)航消息在接收到的信號(hào)中被發(fā)現(xiàn)的順序來對(duì)這些導(dǎo)航消息進(jìn)行解調(diào)。然而，當(dāng)接收到的信號(hào)非常弱時(shí)，接收器發(fā)現(xiàn)很難檢測(cè)數(shù)據(jù)位之間的倒相從而無法可靠地對(duì)接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，因此留下了在導(dǎo)航解算所建立的士 50ms分辨率以內(nèi)的20ms的模糊度。對(duì)于20ms的數(shù)據(jù)位積分對(duì)準(zhǔn)來說以及對(duì)于定位解算來說該模糊度已經(jīng)是足夠好的，但對(duì)于定時(shí)來說則不夠。接收器接下來執(zhí)行的處理包括對(duì)接收到的衛(wèi)星信號(hào)的低頻數(shù)據(jù)流中預(yù)選數(shù)據(jù)序列的模式匹配，這樣的數(shù)據(jù)序列之一是出現(xiàn)在數(shù)據(jù)流中每個(gè)子幀開始位置的8位GPS數(shù)據(jù)前置序列(見圖幻。然而，可以使用重復(fù)數(shù)據(jù)序列或不重復(fù)數(shù)據(jù)序列。模式匹配解決了上述20毫秒的模糊度。盡管是在弱信號(hào)條件下衛(wèi)星數(shù)據(jù)本身無法被解碼，也可以通過根據(jù)序列選擇的不同相關(guān)技術(shù)來執(zhí)行上述處理。再次參考圖4，主機(jī)系統(tǒng)14首先對(duì)上述位同步處理之后獲得的初步時(shí)間解的精確度進(jìn)行評(píng)估(步驟124)。該精確度評(píng)估與目標(biāo)時(shí)間精確度進(jìn)行比較(步驟126)，該目標(biāo)時(shí)間精確度是根據(jù)一個(gè)或多個(gè)所選數(shù)據(jù)序列的模式長度來設(shè)定的。將目標(biāo)時(shí)間精確度設(shè)置為小于為獲得良好相關(guān)分辨力而設(shè)定的預(yù)定自相關(guān)函數(shù)極限范圍。如果評(píng)估所得的時(shí)間精確度小于目標(biāo)，則嵌入式處理器子系統(tǒng)通過核對(duì)位同步處理已得到了至少近似的數(shù)據(jù)位對(duì)準(zhǔn) (步驟128)來繼續(xù)進(jìn)行模式匹配(步驟130和圖5)。在沒有鎖相環(huán)(PLL)的操作的情況下(即，低信號(hào)等級(jí)的情況下)，無法運(yùn)行長時(shí)間的相干積分來對(duì)預(yù)選數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)。然而，由位置解算步驟120或122獲得的最初的位置解允許對(duì)時(shí)間不定性進(jìn)行局部化，以使得只存在少數(shù)(例如3到5個(gè))模糊度時(shí)間選項(xiàng)。這是因?yàn)槿鐖D3所示，出現(xiàn)在每個(gè)子幀中的數(shù)據(jù)序列每6秒出現(xiàn)一次，并且在由到目前為止接收器中執(zhí)行的處理所得到的時(shí)間不定性中(該不定性通常要加上或減去30毫秒， 盡管有時(shí)差不多要加上或減去50毫秒)只有少數(shù)符合條件的子幀會(huì)對(duì)準(zhǔn)。已經(jīng)建立了與數(shù)據(jù)位邊緣的同步，模糊度求解的問題被簡化為對(duì)少數(shù)模糊度的求解。圖6中示出的8數(shù)據(jù)位同步或衛(wèi)星數(shù)據(jù)的前置序列在加上或減去3數(shù)據(jù)位的范圍內(nèi)具有良好的自相關(guān)特性，如圖7a到圖7d所示，甚至允許未對(duì)準(zhǔn)時(shí)的未知信號(hào)數(shù)據(jù)狀態(tài)。從圖 6中看出，8位前置序列包括位10001011。前一子幀的最后兩位為00。“X”表示的位是在除了前置序列以外的其他所關(guān)注區(qū)域中的未知位。圖7a到圖7d描繪出在沒有噪聲的情況下由預(yù)選前置序列的自相關(guān)得到的標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)值。在預(yù)選數(shù)據(jù)位前置序列之前和之后的位中出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)值的情況下將這些值描繪成與輸入和參考序列對(duì)準(zhǔn)和不對(duì)準(zhǔn)。將看出該序列具有極好的自相關(guān)特性，標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)值峰值隨著對(duì)準(zhǔn)至少為獲得未對(duì)準(zhǔn)+/_1、2、3個(gè)數(shù)據(jù)位的值的兩倍而出現(xiàn)。將會(huì)看出相關(guān)余量，即對(duì)準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)值與未對(duì)準(zhǔn)序列值的比例，至少為1比2，當(dāng)具有1或2個(gè)位的偏移量時(shí)則該余量為4比1或更少。通常，+/-2. 5個(gè)位上具有2比1的余量會(huì)產(chǎn)生良好的結(jié)果，盡管更小的余量也是可行的。在優(yōu)選接收器中，通過使用在與預(yù)期頻率精確度相當(dāng)?shù)亩涕g隔中對(duì)每個(gè)時(shí)間解選項(xiàng)進(jìn)行相干積分的直接相關(guān)來執(zhí)行模式匹配。具體來說，由于缺少PLL，這樣的積分是在小于或等于鎖頻環(huán)頻率穩(wěn)定性倒數(shù)的間隔中執(zhí)行的。尤其是在由于弱信號(hào)條件中較差的頻率穩(wěn)定性而導(dǎo)致的對(duì)全部8個(gè)數(shù)據(jù)位序列的積分不足的情況下，可以執(zhí)行單個(gè)同步序列以外的積分，執(zhí)行了對(duì)同步消息之間可能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)位(inversion)的補(bǔ)償(即，在擴(kuò)展積分中使用非相干技術(shù))。不管使用了相干積分還是相干與非相干積分的結(jié)合，系統(tǒng)都檢測(cè)到針對(duì)不同時(shí)間解選項(xiàng)的最佳相關(guān)結(jié)果。參考圖5，開始進(jìn)行模式匹配程序(步驟130)，該程序包括“相干積分”步驟(步驟 132)，其中用所選模式長度上的復(fù)雜采樣來乘前一模式或預(yù)期模式(針對(duì)GPS BPSK調(diào)制加 /減1)。針對(duì)測(cè)試中每個(gè)可能的延遲(時(shí)間解選項(xiàng))進(jìn)行該步驟。接著，針對(duì)每個(gè)時(shí)間解選項(xiàng)或偏移量(“offset”)來計(jì)算(通過對(duì)乘積求和而得到)結(jié)果的量級(jí)(步驟134)，該量級(jí)除去了符號(hào)和相位(符號(hào)和相位從一個(gè)相干積分到下一個(gè)相干積分是不一致的)。在步驟136，通過非相干積分來累積針對(duì)每個(gè)偏移量的量級(jí)。隨后執(zhí)行閾值測(cè)試(步驟138)來檢測(cè)具有足夠余量的最大相關(guān)峰值(例如通過將最大峰值與次最大峰值進(jìn)行比較或者將最大峰值與平均相關(guān)輸出進(jìn)行比較之類的比較測(cè)試)。典型的余量是2比1。測(cè)試之前可能需要最小數(shù)量的環(huán)處理140周期。返回圖4，當(dāng)實(shí)現(xiàn)了模式匹配(步驟142)并實(shí)現(xiàn)了精確位同步(與步驟1 中測(cè)試的近似同步相反)(步驟144)時(shí)，可以在主處理器中將最初的時(shí)間解解算為精確時(shí)間，以使用例如卡爾曼濾波器來獲得精確時(shí)間(步驟146、148)。還可使用比上述8位序列更短的序列來執(zhí)行模式匹配，如下所述，其優(yōu)勢(shì)在于頻率靈敏度更低，并且用來分辨的自相關(guān)模式的變化更少。另一個(gè)選擇是如下所述執(zhí)行差分位方法(“差分積分”)，從而將被匹配的模式并非來自衛(wèi)星數(shù)據(jù)流的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，而是連續(xù)數(shù)據(jù)位的差分解調(diào)。該模式的頻率容許度更大，但其自相關(guān)函數(shù)仍會(huì)改變。在GPS前置序列的情況下，所得的自相關(guān)顯示了分辨力很差，但是針對(duì)該自相關(guān)能夠識(shí)別出其他數(shù)據(jù)序列， 并且該分辨力會(huì)滿足差分相關(guān)方法，該方法具有更大的頻率容許度并且使用更長的數(shù)據(jù)序列。最初時(shí)間解與模式匹配結(jié)果的結(jié)合完成了建立“精確時(shí)間”所需的結(jié)合。因此，作為對(duì)粗略時(shí)間、使用例如卡爾曼濾波器的定位時(shí)間、以20毫秒為模的位同步、如上所述數(shù)據(jù)或差分?jǐn)?shù)據(jù)模糊度分辨率(resolution)加或減3個(gè)數(shù)據(jù)位、以及碼相位匹配同步(以1 微秒為模)的合成，建立了精確時(shí)間。通常該建立起來的時(shí)間精確到50毫微秒。還應(yīng)當(dāng)注意，與根據(jù)碼片(以1毫秒為模)同步建立時(shí)間以及在整個(gè)1秒的粗略時(shí)間不定性(即， 1000個(gè)搜索窗口)中嘗試直接匹配數(shù)據(jù)相比，上述方法僅僅需要數(shù)據(jù)模式能求解出較少數(shù)量的選項(xiàng)(比方說5個(gè)窗口)。這意味著類似的閾值將通過比較產(chǎn)生1/200的“誤報(bào)警” 率?？蛇x的，降低針對(duì)相同誤報(bào)警率的閾值算法產(chǎn)生了在更低信號(hào)級(jí)條件下的檢測(cè)。由于數(shù)據(jù)位以50%的比率在整個(gè)信號(hào)中連續(xù)發(fā)生，但同步數(shù)據(jù)位在每6秒子幀中只占用了 8個(gè)位(即，2.7%)，因此使用同步數(shù)據(jù)位只導(dǎo)致緩慢的過程。在許多應(yīng)用中這并不是問題，但并不限制該方法必須使用同步位，而是可以使用任何顯示出良好自相關(guān)的序列。
對(duì)數(shù)據(jù)模式匹配結(jié)果(S卩，所選時(shí)間解選項(xiàng))進(jìn)行結(jié)合包括了步驟146(圖4)中的根據(jù)從接收信號(hào)所選的一個(gè)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)來對(duì)模式匹配結(jié)果進(jìn)行匹配。換句話說，當(dāng)已解算出來自一個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)中的20毫秒模糊度和1毫秒模糊度時(shí)，最初的位置解和時(shí)間解以及以上涉及的其他數(shù)據(jù)的集合產(chǎn)生其中解算出了絕對(duì)時(shí)間模糊度的解。相應(yīng)地還能夠在步驟146重復(fù)進(jìn)行的結(jié)合處理中對(duì)已經(jīng)從其他衛(wèi)星得到的最初的位置-時(shí)間解進(jìn)行調(diào)整， 以得出所需的精確時(shí)間輸出。現(xiàn)在將使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)流中8位前置序列的示例來更加詳細(xì)地描述基于自相關(guān)的模式選擇和序列模式匹配處理。如圖6所示，GPS導(dǎo)航消息中的每個(gè)子幀都以8位前置序列“10001011”開始，在子幀同步處理期間使用該前置序列。由于前置序列的長度是固定的，因此可使用該前置序列與接收到的數(shù)據(jù)位之間的相關(guān)來使得接收器自其有效地確定了子幀的開始并接著定位了接收信號(hào)的邊界以及隨后跟蹤每個(gè)子幀以后實(shí)現(xiàn)同步。前置序列的自相關(guān)特性特別重要，并且能夠通過將已知字與所關(guān)注范圍內(nèi)前置序列的移位復(fù)制進(jìn)行相關(guān)來獲得。由于GPS子幀中每個(gè)字的最后兩位為0[ICD-GPS-200， 1991]，所以當(dāng)確定了相關(guān)峰值任一側(cè)區(qū)域的自相關(guān)特性時(shí)可包括這些位。假設(shè)導(dǎo)航解算將時(shí)間收斂，使多于4個(gè)衛(wèi)星近似到士 50ms (即，近似士 2. 5個(gè)數(shù)據(jù)位)，則自相關(guān)峰值任一側(cè)的區(qū)域(3位)應(yīng)具有低互相關(guān)值，從而改善識(shí)別子幀開始的能力。如圖6所示，在除了前置序列以外的其他關(guān)注區(qū)域中有4個(gè)未知位；也就是16個(gè)可能的數(shù)據(jù)位排列。GPS前置序列證明在所需時(shí)間不定性上(士2. 5個(gè)位)具有很好的自相關(guān)特性，并且還在圖7a到圖7d中圖示出了所有相鄰的數(shù)據(jù)位排列。前置序列與接收信號(hào)匹配，并且通過在整個(gè)跟蹤信號(hào)的采樣當(dāng)中以20ms步長對(duì)復(fù)制數(shù)據(jù)位模式進(jìn)行移位直到發(fā)現(xiàn)匹配來形成一個(gè)相關(guān)峰值。這實(shí)質(zhì)上將積分時(shí)間段增大到所用數(shù)據(jù)段的長度以外，該數(shù)據(jù)段長度對(duì)于GPS數(shù)據(jù)前置序列來說是160ms。相比20ms 積分時(shí)間段，這改善了靈敏度，以該靈敏度通過大約9dB來實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步。然而這增加了接收器對(duì)用戶動(dòng)態(tài)和振蕩器穩(wěn)定性所引起的頻率誤差的靈敏度。160ms的相干積分時(shí)間段意味著一個(gè)6. 25Hz的相對(duì)窄的頻帶。由于大頻率誤差會(huì)降低信號(hào)靈敏度并因此會(huì)減小長相干積分時(shí)間段的益處，因此增大相干積分時(shí)間段時(shí)，頻率誤差必須被考慮在內(nèi)。可選方式包括將差分解調(diào)的接收GPS信號(hào)與本地生成的GPS前置序列的差分解調(diào)版本進(jìn)行相關(guān)。在兩個(gè)連貫的相干積分輸出之間執(zhí)行差分相干累加。也就是用前一采樣的共軛來乘后一采樣，并且隨后累加這些相關(guān)變量以獲得差分相干輸出。差分積分的實(shí)部 (也被稱作點(diǎn)積)隨后與前置序列的點(diǎn)積相關(guān)。點(diǎn)積形成了乘積Yffl = Iffl-1Iffl+Qffl-1Qffl⑴其中m表示相應(yīng)采樣的相干延遲版本。當(dāng)點(diǎn)積大于0時(shí)，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)位改變。也就是表示不存在兩個(gè)連續(xù)的信號(hào)采樣段之間的倒相，而當(dāng)點(diǎn)積小于0時(shí)，發(fā)生了數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)移(也就是在兩個(gè)連續(xù)的信號(hào)采樣段內(nèi)檢測(cè)到了倒相)。對(duì)GPS數(shù)據(jù)前置序列的差分解調(diào)序列“0110001”如圖8所示。盡管該技術(shù)在頻率偏移量存在的情況下提供了更好的性能，但如圖9所示，GPS差分解調(diào)的前置序列在所需時(shí)間不定性(士2. 5個(gè)位)上不具有非常好的互相關(guān)特性。這影
13響了正確檢測(cè)主峰值的可能性，因?yàn)樵摽赡苄匀Q于自相關(guān)峰值與最高側(cè)峰值的比值。因此，盡管差分前置序列檢測(cè)在頻率偏移量存在的情況下得到了更好的性能，但在所需時(shí)間不定性上具有不夠好的相關(guān)特性，不過將存在自相關(guān)令人滿意的其他數(shù)據(jù)序列。另一可選方式是使用GPS數(shù)據(jù)前置序列的子序列。與使用全部長度的前置序列的情況相比，這增強(qiáng)了頻率偏移量存在情況下的性能(也就是將頻率帶寬從6. 25Hz改善為 8. 3Hz)。相比20ms積分時(shí)間段，使用6位序列(積分時(shí)間段為120ms)改善了靈敏度，以該靈敏度通過7. 78dB來實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步。圖10示出了 GPS前置序列的6位子序列“000101” 的相關(guān)特性。因此該方法探尋在前置序列的6位中的前置序列相關(guān)。另外，使用前置序列的子序列減小了處在所選序列任一側(cè)的未知位的數(shù)量，如圖 10所示。因此，GPS前置序列的子序列具有良好的相關(guān)特性，并能被用來求解出20ms模糊度。使用模式匹配算法來開發(fā)這些相關(guān)特性并求解出20ms模糊度。通過將接收數(shù)據(jù)序列與已知數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)，并且在產(chǎn)生高于特定閾值的相關(guān)結(jié)果時(shí)使用算法來為預(yù)測(cè)添加可信度，從而完成了模式匹配算法。該算法依賴于這樣的認(rèn)識(shí)，即，同步字將出現(xiàn)在隨后的子幀中從而能夠改善檢測(cè)的可能性，以及通過在隨后的子幀中執(zhí)行附加的相關(guān)減小了誤同步的可能性。可選地，當(dāng)選擇了非重復(fù)序列時(shí)，在隨后的子幀中的序列已知或可預(yù)知時(shí)可實(shí)現(xiàn)類似的特性。結(jié)合多個(gè)子幀的結(jié)果增大了檢測(cè)同步字的可能性。結(jié)合多個(gè)子幀的方法之一是在與檢測(cè)閾值進(jìn)行比較之前對(duì)來自多個(gè)子幀的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行求和。圖11示出了用針對(duì)所有衛(wèi)星設(shè)置成-155dBm的信號(hào)等級(jí)來在GPS模擬器上執(zhí)行根據(jù)100次試驗(yàn)的模式匹配所花時(shí)間。總的來說，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)使用已成熟的模式匹配算法來求解出20ms模糊度。 其利用GPS數(shù)據(jù)前置序列的周期性廣播來增強(qiáng)定時(shí)同步的性能。在ST-NXP GNS4500接收器平臺(tái)中，導(dǎo)航解算使用多種可能的機(jī)制來將時(shí)間收斂于 IOOms以內(nèi)，這足以建立針對(duì)定位的SV軌道位置，但對(duì)精確定時(shí)接收器來說則并不令人滿意。導(dǎo)航解算建立了時(shí)間，假定將多于4個(gè)衛(wèi)星近似到士50ms。圖12到圖18示出了該時(shí)間的評(píng)估取決于信號(hào)條件。在GPS時(shí)間重建中使用該導(dǎo)航解算來提供評(píng)估，從而削減了時(shí)間不定性。使用來自⑴GPS信號(hào)模擬器、(2)室內(nèi)天線以及(3)衰減的屋頂天線的信號(hào)來執(zhí)行一系列測(cè)試。將室內(nèi)天線置于文件柜中來模擬包含高度衰減的多路徑信號(hào)的惡劣室內(nèi)環(huán)境。每個(gè)測(cè)試運(yùn)行持續(xù)30分鐘。表1總結(jié)出用于所有測(cè)試的初始條件。表1 初始測(cè)試條件
權(quán)利要求
1.一種時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)，其中該時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)接收器，其具有射頻級(jí)和相關(guān)器，其中射頻級(jí)用于從多個(gè)衛(wèi)星接收編碼調(diào)制信號(hào)并對(duì)這些編碼調(diào)制信號(hào)進(jìn)行降頻變換，相關(guān)器接收、跟蹤并解碼經(jīng)降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以提供包含了針對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的部分偽距測(cè)量的信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用來從源接收包含輔助數(shù)據(jù)的信號(hào)，該信號(hào)是除了被接收并被降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以及包含了部分偽距測(cè)量的信號(hào)以外的信號(hào)，該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由接收到的衛(wèi)星信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)位流的位邊緣，該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)流中的預(yù)選數(shù)據(jù)序列的相關(guān)以求解出時(shí)間模糊度，并且該數(shù)據(jù)處理裝置還用來根據(jù)輔助數(shù)據(jù)、來自衛(wèi)星信號(hào)接收器的部分偽距測(cè)量輸出和編碼跟蹤輸出、數(shù)據(jù)位同步以及數(shù)據(jù)序列相關(guān)來計(jì)算時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，包括鎖頻環(huán)，其可操作用于生成表示由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒位移的多普勒位移信號(hào)，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為響應(yīng)于多普勒位移信號(hào)來修改數(shù)據(jù)位同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為(i)使用根據(jù)部分偽距測(cè)量以及多普勒測(cè)量所產(chǎn)生的位置-速度-時(shí)間評(píng)估來提供一個(gè)初步時(shí)間解，該初步時(shí)間解具有與低頻數(shù)據(jù)流的1到5個(gè)數(shù)據(jù)位的持續(xù)時(shí)間相等的時(shí)間不定性，并使用模糊度求解算法來提供針對(duì)所述測(cè)量和輔助數(shù)據(jù)的最佳匹配，( )根據(jù)從接收器接收信號(hào)所用到的一個(gè)選中衛(wèi)星接收到的信號(hào)來使用數(shù)據(jù)位同步的結(jié)果和預(yù)選數(shù)據(jù)序列相關(guān)的結(jié)果執(zhí)行中間模糊度求解和時(shí)間解調(diào)整，以及(iii)進(jìn)一步響應(yīng)于編碼跟蹤輸出來調(diào)整時(shí)間解，從而產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中預(yù)選數(shù)據(jù)序列使用重復(fù)的數(shù)據(jù)模式，并且數(shù)據(jù)處理裝置被配置為使得數(shù)據(jù)序列的相關(guān)包含了對(duì)從至少一個(gè)衛(wèi)星接收到的信號(hào)的數(shù)據(jù)流中重復(fù)的數(shù)據(jù)模式的連續(xù)實(shí)例的相關(guān)，其中該至少一個(gè)衛(wèi)星是接收器接收信號(hào)所用到的衛(wèi)星。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中預(yù)選數(shù)據(jù)序列使用輔助數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地選擇，和/或基于先前接收到的數(shù)據(jù)序列而通過預(yù)測(cè)來選擇，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為通過執(zhí)行對(duì)潛在數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)模式的自相關(guān)而進(jìn)行選擇，該選擇基于與平均值或次級(jí)值相比自相關(guān)最大的性質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中通過結(jié)合相干積分與非相干積分來執(zhí)行相關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為提供一個(gè)時(shí)間精確度不高于+/-Ilms的初步位置-速度-時(shí)間解，該解為多個(gè)偽距傳輸時(shí)間解選項(xiàng)的形式，其中至少一個(gè)偽距傳輸時(shí)間解選項(xiàng)具有士3ms范圍內(nèi)的時(shí)間精確度。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，還具有鎖頻環(huán)，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為在不長于鎖頻環(huán)頻率穩(wěn)定度的倒數(shù)的間隔上使用相干積分對(duì)預(yù)選數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)處理裝置被配置為使得選擇至少一個(gè)選項(xiàng)的操作包括了在一個(gè)更長的間隔上對(duì)所述相干積分的結(jié)果進(jìn)行非相干積分。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)序列是根據(jù)預(yù)定相關(guān)特性而預(yù)選擇的。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中通過自相關(guān)處理選擇預(yù)選擇的數(shù)據(jù)序列。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任意一項(xiàng)所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)序列是根據(jù)在與一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)序列對(duì)準(zhǔn)的序列和不對(duì)準(zhǔn)的序列之間進(jìn)行分辨的能力來預(yù)選擇的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)序列是根據(jù)其自相關(guān)分辨能力來預(yù)選擇的。
14.一種根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的方法，該方法包括(a)對(duì)星座中多個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、降頻變換和跟蹤，以產(chǎn)生多個(gè)接收器輸出信號(hào)，從源接收除了直接接收到的衛(wèi)星信號(hào)以外的輔助數(shù)據(jù)，以及根據(jù)接收器輸出信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)來產(chǎn)生表示了初步時(shí)間解的信號(hào)，(b)對(duì)至少一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)流中的預(yù)選數(shù)據(jù)序列進(jìn)行相關(guān)，以求解出初步時(shí)間解中的時(shí)間模糊度，從而生成一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，其表示了精確度高于+/-Ims 的時(shí)間。
15.一種根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的方法，該方法包括(a)對(duì)星座中多個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行接收、降頻變換和跟蹤，以產(chǎn)生多個(gè)接收器輸出信號(hào)，從源接收除了直接接收到的衛(wèi)星信號(hào)以外的輔助數(shù)據(jù)，以及根據(jù)接收器輸出信號(hào)和輔助數(shù)據(jù)來產(chǎn)生表示了初步時(shí)間解的信號(hào)，(b)執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由至少一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)流的位邊緣，該數(shù)據(jù)位同步包括了的對(duì)接收到的數(shù)據(jù)流的采樣執(zhí)行頻移補(bǔ)償積分。
16.一種用于根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，該時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)接收器，其具有射頻級(jí)和相關(guān)器，其中射頻級(jí)用于從多個(gè)衛(wèi)星接收編碼調(diào)制信號(hào)并對(duì)這些編碼調(diào)制信號(hào)進(jìn)行降頻變換，相關(guān)器接收、跟蹤并解碼經(jīng)降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以提供包含了針對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的部分偽距測(cè)量的信號(hào)；以及數(shù)據(jù)處理裝置，用來從源接收包含輔助數(shù)據(jù)的信號(hào)，該信號(hào)是除了被接收并被降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以及包含了部分偽距測(cè)量的信號(hào)以外的信號(hào)，該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由接收到的衛(wèi)星信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)位流的位邊緣， 該數(shù)據(jù)處理裝置還用來使用由接收器從衛(wèi)星接收到的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間測(cè)量結(jié)果來計(jì)算位置-速度-時(shí)間解，并且該數(shù)據(jù)處理裝置還用來執(zhí)行對(duì)被接收并被降頻變換后的衛(wèi)星信號(hào)中的數(shù)據(jù)位流與預(yù)選數(shù)據(jù)序列的相關(guān)，并且使用數(shù)據(jù)位同步、位置-速度-時(shí)間解以及數(shù)據(jù)位流相關(guān)三者來計(jì)算時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。
全文摘要
一種時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座所產(chǎn)生的信號(hào)來生成時(shí)間基準(zhǔn)，該系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)接收器來從多個(gè)衛(wèi)星接收編碼調(diào)制信號(hào)并對(duì)這些編碼調(diào)制信號(hào)進(jìn)行降頻變換，還包括相關(guān)器來跟蹤并解碼經(jīng)降頻變換的衛(wèi)星信號(hào)以提供包含了針對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的部分偽距測(cè)量的信號(hào)。形成了該系統(tǒng)一部分的數(shù)據(jù)處理裝置用來從外部源接收輔助數(shù)據(jù)并執(zhí)行數(shù)據(jù)位同步，在該數(shù)據(jù)位同步中識(shí)別出由接收到的衛(wèi)星信號(hào)所承載的低頻數(shù)據(jù)位流的位邊緣，從而執(zhí)行初步位置-速度-時(shí)間解算來提供近似時(shí)間基準(zhǔn)，并且對(duì)數(shù)據(jù)流中的預(yù)選數(shù)據(jù)序列執(zhí)行自相關(guān)以求解出時(shí)間模糊度，從而在弱接收信號(hào)條件下計(jì)算精確的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)。預(yù)選數(shù)據(jù)序列可以是由數(shù)據(jù)流構(gòu)成的GPS導(dǎo)航消息中的重復(fù)的數(shù)據(jù)前置序列。
文檔編號(hào)G01S19/25GK102216801SQ200980145475
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者埃斯特·奧盧盧·阿尼婭艾格布, 彼得·馬克·弗萊明, 杰拉爾德·溫特沃斯, 雅克萊·佩塔·比克斯塔夫 申請(qǐng)人:意法愛立信有限公司