[发明专利]全球定位系统接收机信号缺失情况下快速重捕和定位的方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统，特别是一种在 GPS信号缺失情况下实现快速重新捕获，进而实现快速定位的方法。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送 GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接 收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地 球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地 球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上 使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码) 的直接序列二相扩频信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆 码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒 的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从 几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫 星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导 航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧， 主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄 期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历 (ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五 包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32 颗卫星的历书(almanac)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分 钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

GPS接收机的主要目标之一是确定PN码的到达时间。术语“GPS到 达之间”指GPS卫星PN码到达GPS接收机的时间。这是通过将本地产 生的PN参考信号与接收的信号相比并且“滑动”本地基准直至与接收信 号在时间上对齐来完成的。通过称之为“相关”的相乘和积分过程，将这 两个信号相互比较。当两个信号在时间上是对齐时，输出的结果为最大。 如果每半个码片的时间里作一次这样的比较，那么在一个PN信号出现时 间里，需要完成搜索2046次比较。必须对所有卫星都进行这样的搜寻以 确定哪些卫星在视线之内。另外，接收信号频率的误差(这个偏差是由卫 星相对于接收机运动产生的多普勒效应导致)经常要求对信号频率的各种 假设进行附加的搜寻。换而言之，这个搜索过程需要通过搜索取定三个未 知量：可见的卫星星号，该卫星的载波频率和PN码的码相位。搜索过程 在商业化接收机(基带处理芯片)通常采取大规模相关器并行的方式加速 捕获过程。然而，这样的搜索和捕获过程依然很费时。同时过大规模的并 行相关器还会导致功耗和成本的大幅度增加等诸多负面问题。

术语“GPS重捕时间”是衡量GPS基带处理芯片性能的重要指标之 一。术语“重捕时间”是指GPS接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情 况下，因各种原因卫星信号缺失，进而信号重现，从信号重现得时刻起， 到重新捕获卫星时刻的时间差。类似的，术语“重定位时间”是指GPS 接收机在正常跟踪GPS卫星并定位的情况下，因各种原因卫星信号缺失， 进而信号重现，从信号重现得时刻起，到重新定位的时间差。

通常GPS基带芯片在没有任何先验信息的前提下需要通过下一系列 过程才能正常定位：首先进入捕获状态搜索卫星，这个过程包括搜索用户 可见的卫星号和该卫星发射信息的频率。一旦搜索到可用的卫星，则通过 一个频率牵引过程转入跟踪状态，使接收机的频率和码相位和捕获的GPS 卫星一致。在跟踪状态下，接收机可以解调载波信息获得GPS广播的星历 和历书信息，同时计算GPS卫星到达时间。获得上述信息后，接收机即可 解算出接收机位置。当接收机在信号缺失进行重新捕获时，如果没有任何 先验信息则需要完全经历这样一个过程。这个过程通常耗时很长(＞2分 钟)，GPS用户往往期望更高的启动速度。