[发明专利]用于恢复和跟踪P编码信号调制的全球定位系统接收机

说明书

发明领域

本发明一般涉及全球定位系统(GPS)，特别涉及改善GPS接收机的信号处理速度和精度的技术。本发明与属于R.G.Keegan的题为“辅助P-编码全球定位系统接收机”的美国专利No.4,972,431在主题上有一定的联系。该专利提供的许多背景材料也与本发明相关，为方便起见对它们也同样作了说明。因此美国专利No.4,972,431作为参考文献包含在说明书中。

背景技术

在GPS的术语中，本发明涉及获取受抑制载波信号(称之为L1和L2)的P-编码和相位测量的技术，不管调制L1和L2的P编码信号是否经过“反欺骗”加密。如上所述，“编码”测量指的是测量卫星与接收机之间的表观距离或者“伪范围”，它根据用来调制L1和L2的编码或信号事件的时间来确定。

获得访问L1或L2载波信号或者同时访问L1和L2载波信号有一个重要的优点。与单独利用编码测量相比，载波相位测量提高了相对或者差分定位寻找精度。虽然则单单利用L1载波信号就可以完成，但是访问L2大大加快了载波周期模糊性的分辨率并可以对电离层折射误差进行相位校正。

GPS(也称NAVSTAR)是一种从多个轨道卫星接收到的信号中确定地球上或者地球附近用户位置的系统。当系统作完全部署时，卫星安排在多个轨道平面上，从而在地球上或者地球附近的任意位置，只要视野不受阻碍，将接收到至少四颗卫星的信号。

空间飞船的轨道由固定的地面站精确确定并转播给空间飞船。当GPS用于导航应用时，可以从空间飞船的四个以上点的电磁波传播时间计算出地球上或地球附近任意点的经度、纬度和海拔。通常情况下，由于有四个未知的量，所以为了完全确定一个位置，地面站至少需要接收四个卫星信号。其中的三个未知量是三维位置坐标，它们习惯上用经度、纬度和海拔表示，而第四个未知量是卫星上定时时钟与接收机上定时时钟之间的时间差或偏移。

GPS卫星发射的信号特性可以从文献中知悉，这里将更详细地描述本发明的较佳实施例。简而言之，每颗卫星以不同的载波频率发射两种L带内的扩展谱信号，它们称为L1和L2。为了消除因电离层折射发射信号而引起的误差就需要二种信号。卫星信号由两种伪随机码调制，一种称为C/A(粗糙/细致)编码，而另一种称为P(精确)编码，也通过变化较慢的定义卫星轨道和其他系统信息数据信号来调制卫星信号。伪随机码序列是一系列一定意义上的伪随机数，每个伪随机数与后面的伪随机数没有确定的关系，但是由于序列是确定性的并且对自身的循环进行重复，所以不是真正的随机数。

当二进制伪随机码用来双相位调制载波信号的相位时，得到的结果是一种谱密度遵从[(sinx)/x]²分布的信号，这里的x与相对载波频率的频率偏移呈正比。这里“扩展谱”信号与窄带信号相比，其优点是抵御阻塞或干扰的能力更强。伪随机码调制的信号具有有用的特性，即当信号与同一伪随机码的副本正确相关时，大多数扩展谱能量映射至频谱的窄峰上，但是只有在两个相关信号在时间上同步正确时才这样。通过使接收到的信号与多个本地产生的伪随机码序列相关起来，可以利用这种性质来识别和分离多颗卫星的信号。每颗GPS卫星采用唯一并且公知的P编码和C/A编码序列。因此，通过使接收到的信号与对应卫星的本地产生的编码序列相关可以识别特定的卫星。一旦识别和完成对接收到的信号的译码，接收机就可以测量卫星的表观发射时间，由此可以计算出表观范围或者伪范围。每颗卫星发射的信号定义了某个信号期间的卫星位置和时刻，它们的接收时间可以由接收机测量。发射时间都借助称为GPS系统时间的公共时间基准来测量。每个接收机采用自己的本地时间参考来记录卫星信号的接收时间。因此，每个接收机都知晓GPS系统时间内测量的发射时间和本地时间内测量的接收时间。如果至少有一个以上的卫星信号不是位置未知量，则可以确定出本地时间与卫星时间之间的时间差分以及位置未知量。例如为了确定三个位置未知量和时间差分，需要四颗卫星的信号。地球上或地球附近接收机的位置可以从伪范围数据中高度准确地计算出来，其精度取决于轨道数据的精度。

对于大多数民用导航应用(例如海上导航)，C/A编码就足够了并且电离层折射引起的误差可以忽略。这种接收机在分析C/A编码信号(在L1载波信号上调制)的基础上完成计算工作。但是对于精度要求更高的差分或勘查应用来说，由于两种载波频率的信号可以补偿电离层折射的误差(众所周知它们由载波频率决定)，所以利用L1和L2载波上调制的P编码和L1载波上调制的C/A编码可以更精确地确定相对位置。