[发明专利]数字全球定位接收机中多普勒搜索的方法及装置

说明书

一般来说，本发明所涉及的是无线电导航接收机领域，特别是多普勒搜索技术，该技术适用于全球定位系统（GPS）的导航系统。本发明的多普勒搜索技术能使GPS接收机迅速获得锁定状态。

无线电导航系统用来为飞机驾驶员、海员、甚至地面运载工具，比如卡车、公共汽车、和警车等提供有用的地理位置信息。最初的无线电导航系统使用发射机路标技术，该技术依赖于若干地面上的、地理位置上分开的发射机送来的相位及定时信息。目前常用的无线电导航系统为劳兰系统（双曲线远程导航系统），它也是依赖地面发射机提供系统信号的。最新的无线电导航系统被称之为全球定位系统（GPS），该系统由美国政府来管理。

GPS导航系统依赖的是不停地围绕地球旋转的卫星。当该系统全部投入使用时，地球上任何地方任何一个GPS用户都可以得到包括三维位置速度和日时在内的准确导航信息。该系统预计于一九八八年全部投入使用，有十八颗在轨卫星。用GPS进行导航定位的方法是测量GPS信号从在轨卫星传播到用户的传播时延迟。一般来说，要在四维空间（纬度、经度、高度和时间）得到精确的位置测定就需要接收来自四颗卫星的信号。一旦接收机测得各信号的传播时延，与各卫星间的距离可通过把每个时延与光速相乘来算得，然后，通过求解一组含有所所测距离和卫星已知位置在内的四个方程式便可得到位置和时间。该系统高准确之能力是靠每颗卫星上的星载原子钟以及连续监测并修正卫星时钟及轨道参数的地面跟踪站作保证的。

每个GPS卫星在L波段发送两个直接-序列-编码的扩展频谱信号;即：载频1.57542CHZ的L₁信号和载频1.2276GHZ的L₂信号。L₁信号有两个以90°相位差调制的移相键控（PSK）扩展频谱信号;P码信号（P代表准确）和C/A码信号（C/A表示粗略/捕获或消除/存取）。L₂信号只包含P码信号。P和C/A码为调制到载波上的重复的多位（按扩展频谱的术语称之为“基片”Chips）的伪随机序列。这些码的类似时钟的特性被接收机用以进行时延测量。各卫星的编码是不同的，以便使接收机能区分来自不同卫星的信号，即使这些信号都在同一载波频率上。调制到各载波的还有一个50比特/秒的数据流（各卫星的数据流也不相同），该数据流中包含有关系统状态和卫星轨道参数的信息，而这些在导航计算中是需要的。P码信号加了密，仅供保密用户使用。

C/A信号供所有用户使用。

GPS接收机完成的功能大部分是任何直接-序列扩展频谱接收机通常所完成的功能。伪随机编码调制的扩展效应必须在称为“解扩展”（despreading）处理过程中，通过将每一信号乘以时间对准的、本地产生的该信号码的复制码移除。由于准确的时间对准（或码时延），在接收机启始时未必知道，所以就必须在最初的捕获阶段进行搜寻。一经找到，在接收机操作的“跟踪”状态期间一定要保持正确的码时间对准，因为用户在四处移动。提供这种对准的机械称之为延迟锁定环。

经解扩展，各信号只是一个在某一中频的50比特/秒的PSK信号。该频率有些不确定，这是由于卫星与用户间相对移动所产生的多普勒效应，以及由于接收机本地时钟误差而导致的。在信号最初的捕获阶段，必须搜寻这个多普勒频率，因为捕获前该频率往往是未知的。多普勒频率一经大致确定，便可使用从平方或科斯达斯（Costas）载波恢复环路得到的本地载波信号来进行载波解调。为使载波恢复器和延迟锁定环的动态特性在信号强度变化时保持在一恒定状态，GPS接收机通常装有自动增益控制（AGC）。载波解调后，数据的位定时由位同步环得到，最后检测出数据流。一经获得并锁定了来自四颗卫星的信号，进行了必要的时延和多普勒测量以及收到足够的数据位（多到足以确定GPS“系统”时间和轨道参数），便可进行导航计算。

为完成上述功能，所有已知的GPS接收机都采用标准的模拟技术而只在接收机“后端”进行少量的数字处理。导航计算通常用微处理机进行，微处理机很适合于完成这一任务。此外，在已知的接收机中一些基带功能，比如：数据检测、位定时恢复以及一些科斯达斯（Coshas）环路处理，都以数字方式完成的。然而，伪随机码的解扩展、载波解调、延迟锁定环的处理和增益控制则都由模拟元件来完成。