[发明专利]全球定位系统中的接收机快速启动和定位的方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航系统领域，尤其涉及在集成的快速捕获接收机(接收机基带处理芯片)中接收和跟踪的卫星信号，及快速实现接收机位置的定位。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如美国的全球定位系统(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展频信号。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)的直接序列二相扩展信号，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(alamanc)。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(每一接收信号)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启动时间”是衡量GPS基带处理芯片性能的重要指标之一。GPS启动时间包括热启动时间、温启动时间和冷启动时间。术语“启动时间”是指GPS接收机从上电到输出首次定位结果的时间差。术语“热启动时间”是指在已知用户位置和GPS卫星星历情况下的启动时间。术语“温启动时间”是指在已知用户位置、用户时间及GPS卫星历书的启动时间。术语“冷启动时间”是指在无任何先验信息的启动时间。

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。这样一个过程通常时间很长(＞2分钟)，GPS用户往往期望更高的启动速度。

很多情况下，接收机启动与其最后一次运行(指已经计算出定位结果)有某些相关性，这些相关性包括：接收机启动时所在的位置和接收机最后一次运行的位置相差不大(例如小于15千米)；接收机启动时和接收机最后一次运行时间间隔较小(对热启动小于10秒，对于温启动或者小于2个月)。在这些前提下，GPS可以获得一系列先验信息，从而可以通过各种方式大大提高启动和定位速度，这就是所谓的热启动和温启动。如何提高接收机的热启动时间和温启动时间是GPS基带处理的一个重要研究方向。

发明内容