專利名稱：使用低成本單頻gnss接收器的厘米級定位的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般地涉及GNSS接收器，并且更具體地涉及低成本單頻GNSS接收器。
背景技術(shù)：
低成本單頻GNSS接收器(例如，在蜂窩電話、PDA和其它消費電子產(chǎn)品中使用的接收器)通常提供精度為10米左右的全球位置。對于這些裝置通常使用位置來例如引導到本地餐館、確定朋友位于附近的地方、導航到興趣地標等等的應用類型來說，10米的精度是可以接受的。低成本單頻GNSS接收器通常從蜂窩電話基站GNSS接收器接收與可見衛(wèi)星有關的信息、關聯(lián)的多普勒偏移以及衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)(視情況而定)的形式的跟蹤輔助。跟蹤輔助信息通過消除接收器將不得不執(zhí)行的很多衛(wèi)星信號搜索處理來允許接收器更容易地獲取衛(wèi)星信號。接收器因此能夠更快速地獲取衛(wèi)星信號并且還能夠獲取較弱的衛(wèi)星信號和/或可能受到多徑影響的信號。以該方式，接收器能夠獲取確定位置所需的最少數(shù)目的衛(wèi)星信號。接收器可以因此能夠在例如接收器位于室內(nèi)或其中某些衛(wèi)星信號可能不可用的諸如都市高樓群等等的其它位置中時將位置確定到數(shù)十米以內(nèi)的精度。GNSS衛(wèi)星信號包含用于確定位置的PRN碼。一般來說，在接收器確定其位置之前，接收器跟蹤來自至少4個GNSS衛(wèi)星的信號中的PRN碼。通過使發(fā)送的PRN碼的本地生成的版本與該碼的接收到的版本同步來執(zhí)行PRN碼跟蹤。本地和接收到的RRN碼的同步花費時間，甚至當利用跟蹤輔助信息時也會花費一定時間?！┙邮掌髡诟櫧o定衛(wèi)星信號上的PRN碼，則接收器能夠基于本地生成的碼的碼相位延遲(即，基于本地生成的碼的相對于已知發(fā)送時間的延遲)確定該碼從衛(wèi)星到接收器的經(jīng)過時間。接收器然后能夠以已知的方式確定其到該衛(wèi)星的偽距，并且基于相對于至少四個GNSS衛(wèi)星的偽距以已知方式計算其位置?；蛘撸邮掌骺梢詫尉喟l(fā)送給計算接收器的位置的基站。偽距確定的其它方法包括通過FFT處理執(zhí)行的卷積。在已知的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，通過在PRN碼歷元上取平均來對接收到的信號進行預處理并且然后通過FFT處理來分析該接收到的信號以確定與可見衛(wèi)星關聯(lián)的PRN碼的PRN碼相位延遲。該碼相位延遲信息被進一步處理以確定關聯(lián)的偽距。接收器或基站根據(jù)情況基于偽距確定接收器的位置。使用相關或卷積處理方法的最終結(jié)果是根據(jù)偽距確定的具有數(shù)十米左右的精度的位置。為了在接收器處節(jié)省電池功率，已知的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)記錄接收到的衛(wèi)星信號大約I秒并且使其射頻(R/F)前端斷電。接收器然后通過如上所述地在PRN碼歷元上對信號取平均等等來對記錄的信號進行預處理，并且確定與各衛(wèi)星信號關聯(lián)的碼相位延遲。接收器因此基于預處理的具有PRN碼的衛(wèi)星信號的FFT處理以及由基站提供的關聯(lián)的多普勒偏移來確定與各衛(wèi)星信號關聯(lián)的碼相位延遲。流動站然后計算到衛(wèi)星的偽距并且將該偽距提供給基站，基站將接收器的位置確定到數(shù)十米以內(nèi)的精度。對于精度小于數(shù)十米的更復雜的位置，并且因此，使用更昂貴的GNSS接收器，其具有更大的處理功率并且使用多徑抑制技術(shù)。這些接收器也可以具有跟蹤雙頻率的能力，具有更寬的RF頻帶前端，并且/或者利用載波相位信息來確定位置。然而，為了利用載波相位信息，必須首先解算整數(shù)載波周期模糊度。利用雙頻率，接收器使用已知的寬巷技術(shù)來限制可能的模糊度解，以允許在更少的時間內(nèi)進行模糊度解算，這是因為計算需要檢查更少的可能解。使用利用LI和L2GPS衛(wèi)星信號的寬巷技術(shù)，接收器測試間隔為86厘米的可能解，而對于單頻GPS LI模糊度解算來 說，可能解間隔為19厘米。此外，利用雙頻率，減少了與電離層等等對于衛(wèi)星信號的不利影響有關的不確定度。因此，與單頻接收器相比，用于模糊度解算的寬巷雙頻技術(shù)在更少的時間內(nèi)和/或在更少的處理之后提供了整數(shù)載波周期。如已知的單頻技術(shù)一樣，使用寬巷技術(shù)的載波周期模糊度的解算要求GNSS接收器持續(xù)地跟蹤衛(wèi)星信號PRN碼和載波，并且因此R/F前端在相對較長的時間段(例如，20分鐘或更長時間)內(nèi)持續(xù)地操作以跟蹤信號。如果在該時間期間，GNSS接收器丟失了對于GNSS衛(wèi)星信號的鎖定，則接收器必須再次開始持續(xù)地跟蹤衛(wèi)星并且執(zhí)行解算關聯(lián)的整數(shù)載波周期模糊度所需的計算，并且之后才能夠使用載波相位信息來計算位置。因此，較復雜且/或雙頻GNSS接收器不是非常適合于在例如具有有限的可用電池功率的蜂窩電話或PDA中使用，即使這樣的接收器的成本沒有成為這樣的使用的阻礙。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于使用低成本單頻GNSS接收器(“流動站”)將位置確定到厘米級精度的系統(tǒng)包括一個或多個基站，該一個或多個基站具有單獨或一起具有清晰的天空視野的基礎GNSS接收器。基站與一個或多個流動站通信，例如，內(nèi)置在蜂窩電話中的單頻GNSS接收器。流動站捕獲或保持在相對較短的時間接收的GNSS衛(wèi)星信號，即在例如I秒的捕獲窗口內(nèi)接收到的GNSS衛(wèi)星信號。窗口的長度僅需要足以在模數(shù)處理之后產(chǎn)生能夠用于確定碼相位延遲、載波相位測量和信號功率估計的適當數(shù)目的信號采樣。一旦在捕獲窗口產(chǎn)生了數(shù)字信號采樣，則流動站可以使R/F前端斷電以節(jié)省電池功率?；蛘撸鲃诱究梢栽谝呀?jīng)捕獲衛(wèi)星信號之后并且在對信號進行處理之前使R/F前端斷電。然后可以在以后的時間進行處理以例如將具有厘米級精度的位置提供到由容納該流動站的蜂窩電話或PDA記錄的照片或文檔。流動站中或例如流動站將采樣發(fā)送到的基站中的處理器處理來自多個可見GNSS衛(wèi)星(例如，來自十個或更多衛(wèi)星)的具有PRN碼的采樣，并且確定碼相位延遲、載波相位測量和信號功率測量。根據(jù)情況，流動站將碼相位延遲或?qū)膫尉?、載波相位測量和功率值發(fā)送到基站以進行進一步的處理?；緦εc超過預定閾值的信號功率估計關聯(lián)的載波相位測量和碼相位延遲進行處理以確定用于整數(shù)載波周期模糊度解算的搜索空間。該搜索空間可以例如為其中可見衛(wèi)星的幾何圖形彼此正交的空間并且該空間內(nèi)的搜索球也基于關聯(lián)的位置不確定度。為了移除來自載波相位測量的時鐘誤差，基站處的處理器對從流動站接收的載波相位測量與來自一個或多個基礎GNSS接收器的對應的載波相位測量進行求差并且進一步對不同衛(wèi)星之間的測量進行求差，以產(chǎn)生載波相位雙差測量。處理器然后對載波相位雙差測量進行處理以確定搜索空間內(nèi)的可應用的搜索球內(nèi)的整數(shù)模糊度解的所有可能組合，并且通過識別模糊度解的正確組來解算整數(shù)載波周期模糊度?；谒鼋?，基站然后基于載波相位測量提供具有厘米級精度的流動站位置?；疽虼嘶谂c用于超定解的足夠多的衛(wèi)星關聯(lián)的載波相位雙差來在單測量或捕獲窗口解算整數(shù)載波周期模糊度，而無需持續(xù)地跟蹤衛(wèi)星或使用雙頻。


本發(fā)明的下面的描述參考附圖，在附圖中 圖I是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的系統(tǒng)的功能框圖；圖2是作為圖I的系統(tǒng)的一部分的流動站的功能框圖；圖3是由圖I的系統(tǒng)的FFT處理器產(chǎn)生的I和Q相關信號的圖；以及圖4是作為圖I的系統(tǒng)的一部分的基站的功能框圖。
具體實施例方式下面描述的實施方式利用可以并入在蜂窩電話或PDA中的類型的低成本單頻GNSS接收器(下面稱為“流動站”)。流動站可以替代地為獨立的接收器或并入到其它通信裝置中。流動站可以(但不限于)接收可見衛(wèi)星的列表和關聯(lián)的多普勒偏移的形式的跟蹤輔助信息。下面首先描述的示例利用跟蹤輔助。還描述了其它不利用跟蹤輔助的示例。
參考圖I，基站100包括基礎GNSS接收器102，其通過GNSS天線104接收由GNSS衛(wèi)星150發(fā)送的GNSS信號。GNSS接收器以已知的方式操作以獲取和跟蹤來自可見GNSS衛(wèi)星的信號，確定關聯(lián)的多普勒頻率并且計算全球位置。GNSS天線104具有基本上清晰的天空視野并且接收來自所有可見衛(wèi)星的直視信號?？梢娦l(wèi)星可以都來自一個衛(wèi)星星座或者可以來自多個不同的衛(wèi)星星座，例如GPS、伽利略、北斗星、GLONAS (格洛納斯)等等。在示例中，基礎GNSS接收器接收來自至少十個GNSS衛(wèi)星的信號。一個或多個流動站112通過GNSS天線114接收衛(wèi)星信號。在示例中，流動站處理在1575. 42MHz+/-2MHz的頻帶上接收到的信號(包括在該頻帶中發(fā)送的LlGPS信號、El伽利略信號、Cl北斗星信號等等)。根據(jù)情況，流動站可以進一步或替代地處理包括來自GLONAS衛(wèi)星的信號的來自某一頻帶的信號，如下面所述。在示例中，基站100進一步包括天線106，其用于廣播包括可見衛(wèi)星列表、關聯(lián)的多普勒頻率、當前時間等等的跟蹤輔助信息?；究梢岳缡欠涓C電話基站，并且廣播可以在600MHz的蜂窩電話發(fā)送頻率進行。流動站112通過天線116接收廣播的跟蹤輔助信息，其中天線116可以例如為伸縮天線和/或設計為接收蜂窩電話發(fā)送的天線。給定的流動站可以并入在蜂窩電話中并且以已知方式利用電話射頻(R/F)信號處理電路(未示出)來處理跟蹤輔助信息?；蛘?，流動站可以包括處理跟蹤輔助信息的專用信號處理器120。通過PRN碼生成器130在流動站處利用跟蹤輔助信息，該PRN碼生成器130生成由GNSS衛(wèi)星在流動站操作的單頻帶上發(fā)送的PRN碼的本地版本。流動站112在存儲器134中捕獲(即保持)在非常短持續(xù)時間的捕獲窗口接收的GNSS信號。該窗口僅需要具有下述長度，該長度足以在模數(shù)處理之后產(chǎn)生適當數(shù)目的信號采樣以提供足夠的信號處理增益以產(chǎn)生足以提供所需的測量精度的信噪比。在示例中，捕獲窗口的長度為I秒。如下面詳細討論的，窗口的大小與處理和/或要求之間存在著權(quán)衡。捕獲窗口的長度可以為了其中預計流動站處于具有清晰的天空視野的位置中的應用而變得較短，例如為I毫秒，或者一個GPS LI PRN碼歷元。流動站112使用接收到的跟蹤輔助信息來確定可見衛(wèi)星和關聯(lián)的多普勒頻率所要求的偏移。流動站然后以已知的方式處理捕獲的信號與關聯(lián)的偏移PRN碼以對于可見衛(wèi)星中的每一個確定各碼相位延遲、信號功率值和載波相位測量。根據(jù)情況，流動站還基于碼相位延遲來計算偽距。流動站然后使用天線116將偽距、功率值和載波相位測量發(fā)送回基站100?；蛘?，流動站發(fā)送碼相位延遲而不是偽距，并且因此，流動站不需要計算偽距。如果流動站并入在蜂窩電話中，則流動站利用蜂窩電話電路來將信息發(fā)送回基站。或者，流動站包括能夠?qū)⑿盘柊l(fā)送到基站并且能夠從基站接收信號的收發(fā)器(未示出)?；?00在處理器108中處理接收到的碼相位延遲或偽距和載波相位延遲以確定流動站112的位置。更具體地，處理器對載波相位測量進行雙差處理，即計算流動站和基礎GNSS接收器處的對應的載波相位測量之間的差以及衛(wèi)星的測量的差，以消除來自測量的時鐘誤差。處理器接下來通過在適當?shù)乃阉骺臻g中處理對應于捕獲窗口的雙差載波相位測量來解算關聯(lián)的整數(shù)載波周期模糊度，如下面詳細描述的。然后，基于載波相位測量和偽距，基站確定精度為I或數(shù)厘米以內(nèi)的流動站的位置，同時無需如使用已知的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng) 所要求的那樣在流動站處持續(xù)地跟蹤GNSS衛(wèi)星信號。因此，并入在例如蜂窩電話或PDA中的流動站(即，低成本單頻GNSS接收器)能夠用于將全球位置確定到厘米級精度以內(nèi)。現(xiàn)在還參考圖2，將詳細討論由流動站112對于在捕獲窗口接收的信號執(zhí)行的處理操作。流動站具有GNSS R/F前端122，其包括下轉(zhuǎn)換器124和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器128。下轉(zhuǎn)換器以已知方式操作以根據(jù)來自振蕩器126的信號對通過天線114接收到的GNSS衛(wèi)星信號進行下轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生中頻或基帶信號。A/D轉(zhuǎn)換器128對中頻信號進行采樣并且對采樣進行數(shù)字化以產(chǎn)生對應的同相(I)和正交(Q)采樣。該采樣然后被提供給存儲器134。R/F前端也可以使用下轉(zhuǎn)換器124和A/D轉(zhuǎn)換器128并且根據(jù)情況還使用信號處理器120以已知的方式對通過天線116接收的跟蹤輔助信息進行處理，以產(chǎn)生由PRN碼生成器130使用的對應信號。如果流動站并入在蜂窩電話中，則蜂窩電話R/F前端對接收到的跟蹤輔助信息進行處理以產(chǎn)生用于PRN碼生成器的信號。蜂窩電話R/F前端也可以處理GNSS衛(wèi)星信號以產(chǎn)生I和Q采樣。跟蹤輔助信息由PRN碼生成器130使用來為各可見GNSS衛(wèi)星產(chǎn)生為多普勒偏移的本地生成的PRN碼。PRN碼生成器因此使用由基站100提供的衛(wèi)星標識和多普勒頻率信息作為跟蹤輔助信息來確定產(chǎn)生哪個PRN碼并且還確定用于各碼的適合的多普勒偏移。本地生成的(偏移)PRN碼被與由A/D轉(zhuǎn)換器128產(chǎn)生的I和Q采樣一起提供給FFT處理器132。還參考圖3，以公知的方式，F(xiàn)FT處理器132利用捕獲的信號采樣的FFT對本地生成的PRN碼的FFT進行卷積并且獲取卷積的反FFT并且根據(jù)反FFT的結(jié)果為捕獲窗口的每個PRN碼確定碼相位延遲dT和載波相位測量，即載波相位角Θ =arctan (I/Q)。卷積基本上同時地針對捕獲的信號中的同一 PRN碼測試給定的本地生成的PRN碼的各碼相位延遲。FFT處理器通過確定與同時出現(xiàn)的最大I相關值(在附圖中由附圖標記310表示)和最大Q相關值(在附圖中由附圖標記320表示)關聯(lián)的碼相位延遲來識別對應于接收到的碼的碼相位延遲dT。流動站112還為振蕩器126確定頻率偏移或關聯(lián)的時鐘誤差。環(huán)境條件的改變(例如，容納流動站的蜂窩電話的溫度的改變)影響用于通常在流動站中使用的低成本振蕩器的頻率偏移。例如，蜂窩電話的溫度在蜂窩電話處于外套口袋中 時會比在蜂窩電話被握在溫暖的手中一段時間時更低，并且流動站處的環(huán)境條件的這樣的變化導致振蕩器的頻率偏移的改變。為了確定頻率偏移，流動站利用振蕩器誤差的各種估計來對最大I和Q碼延遲相關的功率進行采樣并且選擇提供最大功率輸出值的頻率偏移。頻率偏移將對于其信號在同一采樣組期間(即在同一捕獲窗口)被處理的所有衛(wèi)星來說是公共的，并且將與在短時間段內(nèi)收集的采樣高度相關。因此，計算連續(xù)的捕獲窗口中的振蕩器頻率偏移所要求的振蕩器誤差的估計的數(shù)目將被最小化。流動站112因此產(chǎn)生了為多普勒和振蕩器頻率誤差偏移的本地生成的PRN碼。接下來，流動站112以已知的方式基于識別出的碼相位延遲確定其距離發(fā)送PRN碼的GNSS衛(wèi)星的偽距。流動站進一步計算關聯(lián)的功率值i2+q2并且確定功率值是否大于預定閾值，這表不相關峰與直視信號(相對于多徑信號)相關。閾值被設置為與噪聲關聯(lián)的級別之上，以保持被處理以將位置確定到厘米級以內(nèi)的精度的載波相位數(shù)據(jù)組中的與反射的信號(例如，多徑信號)關聯(lián)的載波相位數(shù)據(jù)值。在設置閾值時存在權(quán)衡，這是因為較高的閾值減少了用于超定模糊度解的載波相位數(shù)據(jù)組中的觀察的數(shù)目，而較低的閾值在數(shù)據(jù)組中包括了引入定位誤差的更多反射信號數(shù)據(jù)。因此，在假設足夠多的直視觀察包括在捕獲窗口中并且可以用于進行處理的情況下，閾值被設置為在噪聲以上，從而包括在數(shù)據(jù)組中的損壞的載波相位數(shù)據(jù)的大部分能夠通過殘余離群值測試來移除。如果功率值超過閾值，則流動站112向基站100發(fā)送偽距、載波相位測量或角度Θ和功率值?；蛘撸鲃诱究梢灾苯酉蚧咎峁┐a相位延遲dT而無需確定對應的偽距。流動站使用由剩余的可見GNSS衛(wèi)星發(fā)送的PRN碼執(zhí)行相同的計算，并且向基站提供關聯(lián)的偽距或者碼相位延遲、載波相位角和功率值。如果功率值低于閾值，則流動站不進一步處理或使用關聯(lián)的碼相位延遲和/或載波相位測量。現(xiàn)在參考圖4，更詳細地解釋基站100的操作?；綠NSS接收器102以已知的方式進行操作以跟蹤由可見衛(wèi)星發(fā)送的信號的PRN碼和載波，確定關聯(lián)的多普勒偏移，并且基于通過GNSS天線114接收的GNSS信號計算其全球位置?；救缓笸ㄟ^天線106廣播可見衛(wèi)星的列表、其關聯(lián)的多普勒偏移等等作為跟蹤輔助信息。例如，如果流動站并入在蜂窩電話中，則在600MHz的蜂窩電話頻率上廣播跟蹤輔助信息。GNSS接收器102向處理器108提供用于每個衛(wèi)星信號的載波相位測量。處理器108還通過天線106從流動站112接收信息。處理器因此為捕獲窗口中的可見衛(wèi)星中的每一個接收確定為超過預定閾值的功率測量、關聯(lián)的偽距或碼相位延遲信息dT以及載波相位測量Θ。如上所述，捕獲窗口很短(在示例中為I秒)并且對于捕獲窗口中存在的每個直視衛(wèi)星信號，碼相位延遲和載波相位測量被提供給基站。處理器108處理對應于給定捕獲窗口的基站和流動站載波相位測量以解算整數(shù)載波周期模糊度。由于流 動站僅從單GNSS頻帶(例如，LI頻帶)獲取數(shù)據(jù)，因此處理器必須利用載波頻率的非常短的波長(在示例中為19cm)來在非常大的搜索空間(IOm3的數(shù)量級)解算整數(shù)模糊度，這產(chǎn)生了非常多的可能解。如上所述，系統(tǒng)利用來自較多可見GNSS衛(wèi)星(在示例中為十個衛(wèi)星)的測量來提供用于在捕獲窗口確定針對模糊度組(每個模糊度用于每個雙差的衛(wèi)星對)的解(即，確定單解)的足夠的信息。為了基于cm級位置解算載波相位，系統(tǒng)在捕獲窗口使用在持續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中使用的已知的RTK (實時動態(tài))處理。下面簡要描述該處理。為了相對快速地解算整數(shù)載波周期模糊度，處理器108首先計算載波相位雙差，即處理器對于多個衛(wèi)星的來自基站GNSS接收器和流動站的載波相位測量進行雙差處理，以消除時鐘誤差的不利影響。處理器然后利用Lamda或Z變換，其將雙差載波相位測量從捕獲窗口變換到其中可見衛(wèi)星的幾何圖形彼此正交的變換空間中的測量。例如，參見A New Method For Fast Carrier Phase Ambiguity Estimation, P. J. G Teunissenj IEEEPLANS’ 94，1994年4月，pp. 562-573。處理器108然后基于關聯(lián)的位置不確定度在該變換空間中解算載波周期模糊度?；谠撟儞Q空間中的衛(wèi)星的正交幾何圖形，解算整數(shù)載波周期模糊度中涉及更少不知道的維度。因此，使用與相對較多的衛(wèi)星(在示例中為十個衛(wèi)星)關聯(lián)的雙差載波相位測量，超定Z變換空間中的解，并且處理器能夠基于對應的殘差的行為斷言何時在變換空間中正確地解算了模糊度。當正確地解算了模糊度時，來自該處理的殘差處于流動站的預計的載波相位測量噪聲內(nèi)，即，殘差處于為零的選擇統(tǒng)計幾率內(nèi)，并且搜索空間內(nèi)的所有其它整數(shù)模糊度組合產(chǎn)生非零的殘差組內(nèi)，即超過基于預計的測量噪聲的為零的選擇統(tǒng)計幾率。在衛(wèi)星相對較少的情況下，可以存在很多模糊度選擇的組合，其中殘差接近為零但是隨著觀察的數(shù)目的增加，可能的整數(shù)組合的數(shù)目動態(tài)地減少。因此在其中可見衛(wèi)星的數(shù)目相對較大(例如，10個衛(wèi)星)的給定捕獲窗口相對快速地解算整數(shù)載波周期模糊度。統(tǒng)計幾率可以被選擇為99%，這是由于需要在所要求的位置精度與解算整數(shù)載波周期模糊度所要求的衛(wèi)星數(shù)目之間進行權(quán)衡。一旦解算了模糊度，處理器將解變換回為對應于實際的衛(wèi)星幾何圖形，以提供用于GNSS衛(wèi)星信號的整數(shù)載波周期信息。利用解算的載波周期模糊度，處理器使用解算的載波相位測量以已知的方式確定流動站的全球位置。全球位置因此被基于在捕獲窗口的短時間段接收的單頻GNSS衛(wèi)星信號確定為厘米以內(nèi)的精度，而無需要求流動站持續(xù)地跟蹤GNSS衛(wèi)星。系統(tǒng)可以根據(jù)情況(例如，在流動站移動時)對于下一捕獲窗口等等執(zhí)行相同的計算。為了在流動站處節(jié)省電池功率，一旦短的捕獲窗口中的GNSS信號已經(jīng)被處理為數(shù)字I和Q信號采樣，則關閉GNSS R/F前端122。流動站然后操作FFT處理器132來產(chǎn)生被提供給基站100的載波和碼信息。操作處理器要求的電池功率要遠少于操作R/F前端來接收和采樣GNSS信號所要求的電池功率，并且因此，這里描述的系統(tǒng)完全兼容具有有限的可用電池功率的現(xiàn)有的蜂窩電話和PDA技術(shù)。FFT處理器132可以使用響應于捕獲窗口中的可見衛(wèi)星產(chǎn)生的PRN碼加多普勒偏移加振蕩器頻率偏移信號和捕獲的GNSS信號的數(shù)字信號采樣以及之前的振蕩器頻率、或時鐘、偏移估計來進行操作?；蛘?，本地產(chǎn)生的PRN碼可以通過FFT處理器進行預處理從而多普勒偏移和振蕩器時鐘偏移能夠然后添加到捕獲窗口中可見衛(wèi)星的本地生成的PRN碼的進一步處理中，并且利用接收到的信號采樣的FFT對結(jié)果進行卷積。流動站可以向基站100發(fā)送用于采樣和FFT處理的捕獲信號，或者替代地，流動站可以處理捕獲信號并且向基站發(fā)送I和Q信號采樣用于FFT處理。雖然向基站發(fā)送用于FFT處理的信息要求流動站向基站發(fā)送更多信息，但是代價是在流動站處的進行較少的處理。流動站優(yōu)選地處于某種相對于基站100的短的基線(例如，10公里)上，以避免兩個接收器處的不同的電離層和對流層條件的問題。捕獲窗口中任何數(shù)目的GNSS衛(wèi)星信號可以替代地為直視偽衛(wèi)星信號，并且PRN碼生成器生成關聯(lián)的偽衛(wèi)星PRN碼并且基站GNSS接收 器還處理偽衛(wèi)星信號?；蛘?，基站可以向流動站發(fā)送其載波相位測量、偽距、衛(wèi)星廣播信息與跟蹤輔助信息，并且流動站然后能夠計算它們自己的厘米級位置。然而，這將要求流動站處的更多的處理能力。可以使用多于一個的基礎GNSS接收器，特別是在天空的一部分在基礎GNSS接收器的各種位置中被阻擋的情況下。如果使用多于一個的基礎GNSS接收器，則與這些GNSS接收器關聯(lián)的基站中的選擇的一個將從其它基礎GNSS接收器接收進行處理以解算整數(shù)載波周期模糊度所需的信息?；究梢越邮张c其它基礎GNSS接收器關聯(lián)的雙差值或者可以替代地接收計算雙差所需的載波相位測量。或者，諸如蜂窩電話基站(未示出)的基站可以從各基礎GNSS接收器和流動站接收所有信息，并且基站中的處理器執(zhí)行計算以解算整數(shù)載波周期模糊度。如果流動站正在將捕獲的信號信息或數(shù)字I和Q值發(fā)送到基站以進行處理，則不需要基站將跟蹤輔助信息發(fā)送到流動站。相反地，基站將具有處理捕獲的衛(wèi)星信號并且基于整數(shù)載波周期模糊度的計算將流動站位置確定到厘米級精度以內(nèi)所需的所有信息。用于執(zhí)行各種操作來確定碼相位延遲、載波相位測量并且(根據(jù)情況)解算整數(shù)載波周期模糊度的處理器可以位于流動站處、基站處或者處理器中的一些可以位于流動站處并且其它位于基站處。例如，流動站處的處理器可以確定碼相位延遲、載波相位測量和位置，并且基站處的處理器使用在流動站處確定的計算出的碼相位延遲或偽距、載波相位延遲等等來確定整數(shù)載波相位模糊度?；蛘?，基礎GNSS接收器和流動站可以將信息中的一些或全部提供給能夠?qū)?shù)據(jù)進行組合的其它位置。在示例中，模糊度解算所要求的衛(wèi)星的數(shù)目為十個或更多。然而，根據(jù)可見衛(wèi)星的幾何圖形，例如，如果衛(wèi)星在天空中充分地間隔開，則可以使用較少的衛(wèi)星(例如8個衛(wèi)星)。或者，如果衛(wèi)星沒有被充分間隔開，則可以要求超過10個衛(wèi)星。為了解算整數(shù)載波周期模糊度，衛(wèi)星的數(shù)目必須足以提供用于在捕獲窗口確定用于模糊度的單個解的信息。根據(jù)情況，捕獲的信號可以通過已知的下轉(zhuǎn)換處理處理為基帶數(shù)字I和Q采樣。此夕卜，碼相位延遲的確定可以執(zhí)行為循環(huán)地(相對于同時)測試不同的碼相位和頻率。如果通過協(xié)定或考慮廣播頻帶、時鐘同步和坐標框架關系確保了衛(wèi)星星座的兼容性，則系統(tǒng)可以利用來自捕獲窗口內(nèi)的各衛(wèi)星星座的單頻信號。如上所述，流動站不需要跟蹤衛(wèi)星信號并且系統(tǒng)可以使用在各衛(wèi)星星座中使用的頻率之間的差來減少使用現(xiàn)有技術(shù)中要求持續(xù)跟蹤的寬巷技術(shù)的可能解的數(shù)目。如果不同的衛(wèi)星星座不兼容，例如，在GPS和格洛納斯不兼容時，如果每個星座中足夠數(shù)目的衛(wèi)星可用于解算這兩個星座之間的時鐘不確定度，則可以使用來自這兩個星座的信號。在其中低成本單頻流動站處于固定位置已知時間段的系統(tǒng)中(例如，在勘測應用中)，系統(tǒng)可以將給定捕獲窗口的整數(shù)載波周期模糊度解算到小數(shù)目的可能解以內(nèi)。系統(tǒng)然后可以對于相對較小數(shù)目的捕獲窗口進行相同的處理并且比較解以確定單解。在這樣的應用中，每個捕獲窗口可以要求來自相對較少衛(wèi)星的信號。然而，對于其中用戶例如在行走或者攜帶流動站(例如，攜帶配備有流動站的蜂窩電話或PDA)的應用來說，期望的是，必須在單個捕獲窗口計算解。然而，對于靜態(tài)或移動應用來說，不要求衛(wèi)星信號的持續(xù)跟蹤。另外，對于其中流動站處于靜止或以定義的方式緩慢移動(例如，重型船或火車的移動)的應用來說，可以針對為其它捕獲窗口確定的模糊度來檢查為一個捕獲窗口確定的整數(shù)模糊度以確保計算了正確的解。由于系統(tǒng)設計者已經(jīng)為整數(shù)確定設置了等于或接近99%的幾率閾值，因此系統(tǒng)可以通過檢查連續(xù)的位置來確定給定捕獲窗口計算的解是否正確。如果系統(tǒng)確定具有不正確的整數(shù)的計算的位置，則這些位置將與正確的位置相差相對較大的距離，這能夠是搜索空間內(nèi)的位置不確定度內(nèi)的任何地方。如果采樣被按時通過R/F無線電發(fā)送到基站，則捕獲窗口的大小是處理增益(窗口越大則處理增益越大)和諸如RAM的量、CPU功率、廣播帶寬的硬件需求之間權(quán)衡的結(jié)果，上述所有都傾向于較小的窗口大小。此外，在窗口較大的情況下，振蕩器必須具有更大的頻率穩(wěn)定性并且用戶運動將必須限制在窗口內(nèi)。因此，使用I秒左右的窗口大小。如果流動站將在具有清晰的天空視野的位置操作并且具有非常好的天線，則捕獲窗口可以小至I毫秒。
權(quán)利要求
1.一種用于確定全球位置的方法，所述方法包括以下步驟 操作一個或多個流動站GNSS接收器以捕獲直視GNSS衛(wèi)星信號，所述直視GNSS衛(wèi)星信號是在給定單頻帶中在捕獲窗口從多個衛(wèi)星發(fā)送的并且足以提供用于超定對于關聯(lián)的整數(shù)載波相位模糊度的載波相位數(shù)據(jù)集； 處理所述衛(wèi)星信號的采樣以確定碼相位延遲、載波相位測量和關聯(lián)的信號功率； 確定搜索空間，在所述搜索空間中，基于可見衛(wèi)星、碼相位延遲和位置不確定度解算整數(shù)載波周期模糊度； 通過操作載波相位雙差測量來識別所述搜索空間中所述捕獲窗口的整數(shù)載波周期模糊度的單組解，使用來自所述流動站GNSS接收器的所述載波相位測量和功率測量和來自單獨或一起具有清晰的天空視野的一個或多個基礎GNSS接收器的載波相位測量解算整數(shù)載波周期模糊度；以及 使用解算的載波相位測量將所述流動站GNSS接收器的位置確定到厘米以內(nèi)的精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法進一步包括所述流動站GNSS接收器在捕獲所述衛(wèi)星信號之后關閉無線前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，解算整數(shù)載波周期模糊度的步驟使用對應于來自10個或更多可見衛(wèi)星的信號的所述碼相位延遲和載波相位測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述捕獲窗口具有I秒或更小的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述一個或多個流動站GNSS接收器使用由所述一個或多個基礎GNSS接收器提供的跟蹤輔助信息確定碼相位延遲、載波相位測量和信號功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，使用的所述碼相位延遲和載波相位測量對應于超過預定閾值的信號功率值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法進一步包括以下步驟在來自所述捕獲窗口的所述信號已經(jīng)被處理以產(chǎn)生對應的數(shù)字同相和正交采樣并且所述采樣被發(fā)送給所述處理器之后，關閉所述流動站GNSS接收器的射頻前端。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述搜索空間是其中所述可見衛(wèi)星的衛(wèi)星幾何圖形正交的空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述流動站GNSS接收器進一步確定偽距并且將所述偽距提供給所述基礎GNSS接收器中的一個或多個基礎GNSS接收器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，確定碼相位延遲和載波相位測量的步驟包括 對捕獲的信號中包含的碼的本地生成的版本和所述捕獲的信號的快速傅立葉變換(FFT)進行卷積， 獲取所述卷積的反FFT，以及 確定同時出現(xiàn)的最大I和Q相關值。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，所述方法進一步包括在所述模糊度解算中使用與超過預定閾值的功率值關聯(lián)的所述載波相位測量。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述流動站GNSS接收器將捕獲的信號提供給所述基礎GNSS接收器中的一個或多個基礎GNSS接收器以進行處理，并且關閉無線前端。
13.一種用于確定全球位置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括一個或多個基礎GNSS接收器，所述ー個或多個基礎GNSS接收器單獨或一起具有至少一部分天空的清晰視野，所述基礎GNSS接收器確定可見衛(wèi)星的載波相位測量和位置； 流動站GNSS接收器，所述流動站GNSS接收器用于在捕獲窗ロ期間捕獲在給定頻帶中由多個可見GNSS衛(wèi)星發(fā)送的GNSS衛(wèi)星信號，所述多個足夠多以提供用于超定對于關聯(lián)的整數(shù)載波相位模糊度的解的載波相位數(shù)據(jù)集， 一個或多個處理器，所述ー個或多個處理器用于確定捕獲的GNSS衛(wèi)星信號的碼相位延遲、載波相位測量和信號功率值， 通過操作為可見衛(wèi)星確定的搜索空間上的雙差載波相位測量并且基于所述流動站GNSS接收器處的碼相位延遲和關聯(lián)的位置不確定度，所述ー個或多個處理器使用來自所述流動站GNSS接收器的所述碼相位延遲、載波相位測量和信號功率值和來自基礎GNSS接收器的所述位置和載波相位測量解算整數(shù)載波周期模糊度，以及 使用解算的載波相位測量將所述流動站GNSS接收器的位置確定到厘米以內(nèi)的精度。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，各流動站GNSS接收器在捕獲所述衛(wèi)星信號之后關閉無線前端。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個處理器使用對應于來自10個或更多可見衛(wèi)星的信號的所述碼相位延遲和載波相位測量。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述捕獲窗ロ的長度小于或等于I秒。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個基站將跟蹤輔助信息提供給所述流動站GNSS接收器的確定碼相位延遲和載波相位測量的所述ー個或多個處理器。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，各流動站GNSS接收器在來自所述捕獲窗ロ的所述信號已經(jīng)被處理以產(chǎn)生對應的數(shù)字同相和正交采樣之后關閉射頻前端。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個處理器中確定碼相位延遲和載波相位測量的處理器處于所述流動站GNSS接收器中，并且所述ー個或多個處理器中解算整數(shù)載波周期模糊度的其它處理器處于與所述基礎GNSS接收器關聯(lián)的ー個或多個基站中，并且所述流動站GNSS接收器將碼相位延遲和載波測量信息提供給所述ー個或多個基站。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述流動站GNSS接收器中的所述處理器進ー步確定偽距并且將所述偽距提供給所述基礎GNSS接收器中的一個或多個基礎GNSS接收器作為位置信息。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個處理器通過以下步驟確定碼相位延遲和載波相位測量 對捕獲的信號中包含的碼的本地生成的版本和所述捕獲的信號的FFT進行卷積， 獲取所述卷積的反FFT，以及 確定同時出現(xiàn)的最大I和Q相關值。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個處理器在解算所述整數(shù)載波周期模糊度中使用與超過預定閾值的信號功率值關聯(lián)的所述碼相位延遲和載波相位測量。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述ー個或多個處理器處于與所述基礎GNSS接收器關聯(lián)的ー個或多個基站中并且所述流動站GNSS接收器將捕獲的信號提供給所述基礎GNSS接收器用于進ー步的處理。
全文摘要
一種全球定位系統(tǒng)包括確定可見GNSS衛(wèi)星的載波相位測量和位置的基礎GNSS接收器和是單頻接收器的在捕獲窗口期間從多個GNSS衛(wèi)星在單頻帶中發(fā)送的GNSS衛(wèi)星信號，所述多個足夠多以提供用于超定對于關聯(lián)的整數(shù)載波相位模糊度的解的載波相位數(shù)據(jù)集。該系統(tǒng)根據(jù)捕獲的信號、與可見衛(wèi)星關聯(lián)的搜索空間、碼相位延遲和關聯(lián)的位置不確定度進行確定。該系統(tǒng)使用與超過預定閾值的信號功率值關聯(lián)的雙差載波相位測量解算整數(shù)載波周期模糊度。該系統(tǒng)將捕獲窗口的載波周期模糊度解算到單解集并且使用解算的載波相位測量將流動站GNSS接收器的位置確定到厘米以內(nèi)的精度。
文檔編號G01S19/44GK102713674SQ201080060480
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者帕特里克·C·芬頓 申請人:諾瓦特公司