[发明专利]独特的全球定位系统(GPS)和高灵敏度方法

说明书

发明领域

本发明涉及全球定位系统(GPS)，该系统使用具有已知位置的地球轨道卫星的星座并且产生不同的信号给用户终端，用来计算用户的位置和速度，并且更准确地说，涉及这样的GPS：在终端GPS接收机中，没有计算用户位置和速率所需的、可以直接解调的至少四个具有足够信号强度的GPS卫星信号。

发明背景

全球定位系统(GPS)一般包括地球轨道卫星的星座，地球轨道卫星发送伪随机测距信号，用户终端可根据该伪随机测距信号计算出它们在地球表面上或其附近的任何地方的三维位置、速度以及时间信息。一般说来，为了精确地确定用户位置，必须可看见至少四颗卫星。

卫星的星座处于利用大量资料构成的轨道上，在任何时间都可以精确地知道每颗卫星的位置。用户终端的GPS接收机接收从各个GPS卫星同时发送的多个信号，并通过计算这样的信号的相对到达时间来确定它的位置，即，用户终端位置。卫星发送的数据包括：作为它们的导航消息的一部分的关于卫星的轨道位置的数据，所谓“星历表数据”；以及时钟校正数据。搜索合适的卫星并接收该卫星的信号、解调至少四颗卫星的星历表数据并根据该数据计算用户终端的GPS接收机的位置，这一处理是冗长的处理，通常需要几分钟或更长的时间。几分钟或更长的处理时间一般在便携式设备中是不可接受的，因为它们大大地缩短电池寿命。

实际上所有已知的GPS接收机使用相关方法来计算每颗卫星的伪距。所述伪距仅仅是在从每颗卫星接收的信号与GPS接收机的本地时钟之间测量出的时间延迟。一般实时地执行这些相关方法，并且通常借助硬件相关器。由于GPS一般为CDMA(码分多址)系统，所以通过相同的频率、但使用不同的代码序列来广播所有的卫星信号。这些代码序列一般是高速重复信号，具有1．023MHz的二进制反相速率(也称为“修整(chipping)”或“倒转(flipping)”速率)以及对每1毫秒的代码周期的1，023码片的重复周期。每颗GPS卫星使用唯一的代码序列来广播信号。

为接收来自给定的GPS卫星的GPS信号，接收机硬件将接收信号乘以包含在接收机本地存储器中的合适的代码序列的存储的复制品，并且在1到20毫秒内将该处理的输出加起来。应该指出，在包含在GPS接收机中的代码序列与由卫星广播的代码序列之间必须有精确的同步；即使你只差一位或一码片而没有与来自GPS卫星的代码序列“同步起来(syncing-up)”，你将看不到该信号。

发生GPS信号捕获的方法是：连续调整与卫星广播的接收信号有关的、存储在GPS接收机中的复制品代码序列的有关定时(被定义为代码相位)，并且观察相关输出信号。如先前提到的，对任何可测量的响应，代码相位的对准必须在小于该序列的一码片之内。这可能意味着要通过试验最多全部1，023个可能的代码相位位置来搜索应答。此外，由于积分时间是从1到20毫秒，所以，为了最大值的相关响应，相关处理所采用的RF(或IF)频率必须分别在700到30Hz范围内与接收的GPS信号频率相匹配。由于在GPS信号上可能发生最大为5，000Hz的多普勒频移，捕获处理必须包括试验复制品信号的各种RF(或IF)频率直到检测出相关响应。一旦发生相关，GPS接收机可确定接收信号与本地时钟之间的时延。对该输出信号的出现的初始确定被称作“捕获”。

一旦发生捕获，处理进入跟踪阶段，其中为保持高的相关输出对本地参考时钟进行小量的调整。跟踪阶段的相关输出可被看作消除了伪随机代码的GPS信号，或按通常的术语，“去扩展(despread)”。进一步解调该去扩展信号，可以得到叠加在从卫星上下来的GPS代码序列上的50位／秒的导航消息。该导航消息提供为获得用户终端位置的数学解答所需的其余信息。

一般说来，GPS接收机有灵敏度不高的缺点，所以它们必须始终在室外工作，并且对所有卫星具有清晰的视线。换句话说，GPS接收机必须无遮挡、清晰地看到至少四颗GPS卫星。这样，在便携式应用中、或在有显著的树叶或诸如建筑障碍物的地方、或在室内应用中，GPS接收机通常会遇到问题，并且可能实际上无法使用。

这些问题的现有解决方法采用辅助系统而直接通过独立的通信信道、即辅助信道来提供所有可从GPS接收机通过解调GPS卫星信号而得到的信息。尽管这些现有解决方法能够起到作用，但每当用户终端需要位置坐标时，它们要求用户终端与辅助系统内的服务器通信来获得必要的信息。由于这种服务总是要征收费用的，所以希望建立一种方法，利用它可避免这些费用，而且在遮挡的环境中、使用一个或更多比正常时最多弱20dB的GPS卫星信号，GPS仍然工作。