GPS系统中GPS信号的快速捕获 本发明涉及卫星导航系统，更具体说，是涉及采用无线通信技术来增强信号检测灵敏度的卫星导航系统。
卫星导航系统，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，该GPS信号能被无线终端用来确定该无线终端的位置。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个卫星接收该种信号。更典型的情形是，在地球上绝大多数地方都能从六个或八个卫星接收该种信号。
图1画出现有技术的GPS系统100。在现有技术的系统100中，卫星星座的一个或多个卫星101，发送GPS信号102，被无线终端103接收。本领域熟知，定位操作通过从三个或更多卫星接收GPS信号102而实现。确定位置的基本方法，是根据对每个卫星获知的时间差。对一个卫星的时间差，是指GPS信号102从卫星始发到被无线终端103接收所需的时间。当三个卫星的GPS信号102同时被接收，便能确定一个“两维”(纬度和经度)地位置。当四个或更多卫星的GPS信号102同时被接收，便能够确定一个“三维”(纬度、经度、和高度)的位置。
无线终端103通常包括GPS接收机105，它通过GPS天线107接收GPS信号102。GPS接收机105与每个卫星之间的测量距离，称为“伪距离”，可根据相应的信号传播时间确定。因为各卫星上的互同步时钟与GPS接收机105内的本机时钟之间，通常存在时间偏差，所以该测量距离被称为伪距离。要确定一个三维的位置，需要求解代表时间偏差与代表无线终端103三维位置的四个未知数，至少需要四个GPS信号。
卫星发送的GPS信号的性质，本领域是熟知的。每个卫星发送两个扩频的L频带载波信号，称为L1和L2信号。如果要消除电离层可能引起被发送信号折射的误差，需要两个信号。每个卫星的L1信号，是用两个90°相位差的伪随机噪声(PN)码进行二进制相位键控(BPSK)调制的。伪随机噪声码序列是一数列，因为已经接收的数的知识，不能对预测下一个接收的数提供任何帮助，在这种意义下该数列是随机的。此外，使用二进制PN码调制载波信号的相位，可以产生抑制载波的扩频信号。每个卫星的L2信号只用一个PN码进行BPSK调制。PN码的使用，允许同时利用多个GPS信号来确定接收机位置，并提供卫星专用的导航信息。通过对某个特定卫星的PN码进行发生操作和匹配操作，或称相关操作，可以选出该特定卫星发送的GPS信号。一些PN码是已知的，并且能在GPS接收机105中发生或存储在GPS接收机105中。别的PN码不为公众所熟知。
每个卫星的第一种熟知的PN码，是“粗捕获”码或C/A码。每个卫星的第二种熟知的PN码，是“精确”码或P码。C/A码有助于快速GPS信号捕获和转移至P码。C/A码是相对短的，粗粒度的码。C/A码在它重复之前长度较短。另一方面，P码是相对长的，细粒度的码。完整的P码长度有259天，每个卫星发送完整P码唯一的一部分。一个给定卫星发送的该部分P码，在该部分重复之前，长度精确地等于一星期。
在GPS接收机105中，与该已知C/A码和P码对应的信号，可以按在卫星中相同的方式产生。通过对准相位，对从给定卫星接收的L1和L2信号解调，即，用从该卫星接收的码来调整本机发生的码的定时。为达到相位对准，用本机发生的码的复制本，与接收的GPS信号进行相关操作，直至相关操作的输出信号达到峰值。因为卫星发送PN码序列的每个特定比特的时间是确定的，所以能用某个特定比特的接收时间作为到卫星距离的测量。因为C/A码和P码对每个卫星是唯一的，可以根据接收的GPS信号与本机发生的C/A码和P码复制本之间的相关操作结果，识别某个特定的GPS卫星。发生C/A码和P码的方法，在各种公开可买到的出版物中都有叙述。
L1信号的C/A码分量是供商业用的。已经发展许多在GPS接收机中复制C/A码的技术。因为C/A码近似每毫秒重复一次，在缺乏C/A码每个比特的传输时间的精确知识情形下，也可以在GPS接收机上进行相关操作。P码的捕获，一般首先要锁定在C/A码上才能获得。一旦已经获得了C/A码，单用L1信号载波的C/A码调制载波分量，就可以给出满意的测量。但是，当要求作快速的高分解力的测量时，还必须再用L2载波信号。当L1和L2载波两个都使用时，可以确定L1和L2载波未知的大气延时。
借助本机发生的每种码的复制本，包括P码和C/A码，与每个输入信号的相关操作，可以恢复GPS信号。当调制信号是与P码或C/A码匹配的PN码序列时，该相关操作的结果使GPS信号中的载波全部恢复。在时间上调整本机发生的PN码，以给出与输入信号最佳的相关操作。于是，相关操作的输出是以载波频率为中心的单个窄带峰。相关操作恢复的载波给出最好的可用信噪比。
获得GPS导航性能的关键，是处理一个或多个每一个都载运着粗捕获码的GPS信号，以完成这些GPS信号的码捕获。
有两种众所周知的途径用于C/A码捕获处理：在频域内的码捕获和在时域内的码捕获。频域码捕获方案以快速Fourier变换为基础。时域码捕获方案是把输入GPS码与本机复制码在一个码片内对准的过程，或等价地说，是在约一微秒内对准的过程，因为GPS C/A码的码片率是1.023MHz。
对常规的无线终端，要在时域取得码捕获，通常要进行许多次相关操作，每次都要在一个可能的Doppler频率上搜索一个可能的码相位。在一个C/A PN码中，总共有1023个码片，而GPS信号的Doppler频率范围在(-5000,+5000)Hz。因此，码相位搜索步骤的最大数目是2046，而Doppler搜索步骤的最大数目是200。对每次搜索步骤，可以把码相位增加半个码片，或者可以把Doppler频率增加500Hz。结果是，捕获时间正比于码相位搜索步骤数与载波频率搜索步骤数的乘积。
如果卫星的Doppler频率已知或能够预测，可以在时域和频域两种途径上，用已知或预测的Doppler频率来缩减信号检测的捕获时间。如果卫星的码相位或距离已知或能够预测，只要无线终端已建立精确的定时基准，则已知或预测的码相位或距离，对时域码捕获方案是很有用的。但是，频域码捕获方案不依赖于卫星的码相位信息，因而加于无线终端的计算量比时域码捕获方案更为繁重。此外，无线终端用频域码捕获方案找出自身位置，要花更长时间。
本发明提出一种改进的码捕获方案，用于更快速捕获GPS“粗捕获”(C/A)码。该C/A码的更快速捕获，导致GPS信号的更快速检测，从而使无线终端以更短的时间确定它的位置。提出的方案是时域码捕获方案与频域码捕获方案的组合。提出的方案用频域码捕获技术检测一个GPS信号和建立精确的定时基准，然后，用时域码捕获技术更快速地检测同一卫星或其他卫星的其他GPS信号。提出的方案的优点是能供任何无线通信系统使用，而无需在该无线终端维持一个精确的定时基准，也无需繁重的计算资源，该种计算资源通常用频域码捕获方案的系统是必须的。
按照本发明的一个实施方案，提供一种无线GPS信息服务器(WGIS)，该服务器通过无线的或陆线的链路与无线终端通信。WGIS维护有关视野内所有卫星的信息。该信息包括每个卫星的被调制在相应GPS信号上的导航数据。然后，WGIS用导航数据流和解调的导航数据的已知特性，预测一个或多个码相位(或等价地预测的距离)和一个或多个Doppler频率。然后，该服务器把预测的码相位和预测的Doppler频率转发至无线终端。
无线终端用频域的常规码捕获技术，检测至少一个GPS信号。从WGIS接收的预测的Doppler频率，通过令频率搜索仓(bin)变窄，促进该检测过程。在检测了一个卫星的一个GPS信号之后，就测量了该GPS信号的码相位或无线终端到卫星的伪距离。然后计算从WGIS接收的先前预测的码相位与实际测量的码相位之差。然后，根据已知GPS信号频率，把码相位之差转换为时间单位。例如，码相位的1023个码片等于1ms的时间。然后，用计算的时间单位调整无线终端的时间基准，建立精确的定时基准。
于是，无线终端可以把精确的定时基准用于时域码捕获技术，以相对短的时间检测同一卫星或其他卫星的其他GPS信号。该其他GPS信号可以是先前存储的GPS信号或后续GPS信号。一般说，WGIS提供给无线终端的卫星Doppler频率，误差小于50Hz。这样，无线终端的码捕获过程，不再需要把所有可能的频率都尝试的步骤。捕获时间的缩减正比于码相位搜索的实际步骤数。此外，WGIS还向无线终端提供卫星的码相位信息，因而，无线终端只需在定时精度限定的可能码相位内搜索。因此，该无线终端的优点是更快速的码捕获和更低的计算要求。例如，如果无线终端已建立准确到几微秒级的精确的本机定时基准，该无线终端需要搜索的GPS信号只在少数码相位码片之内，从而，无线终端可以在较短的时间内获得后续GPS信号。
在另一个实施方案中，码相位和Doppler频率的预测由无线终端内提供。在该实施例中，WGIS接收GPS信号，把GPS信号上被调制的导航数据解调，并把解调的导航数据转发至无线终端。无线终端从WGIS接收解调的导航数据，并预测一个码相位和一个Doppler频率。剩余的步骤是：在频域检测GPS信号、测量实际的码相位、比较预测的码相位与实际的码相位、计算两种码相位之差、把码相位之差转换为时间单位、建立精确的定时基准、以及在时域检测其他GPS信号，这些步骤依旧与第一实施例相同。
本发明的其他的方面、性能、和优点，从下面详细的叙述、附于后面的权利要求书、以及附图，将变得更加清楚，附图有：
图1画出现有技术的卫星导航系统；
图2画出按照本发明一个示例性实施例的无线卫星导航系统；
图3是方框图，按照本发明第一实施例画出无线GPS信息服务器(WGIS)的主要部件；
图4是方框图，按照本发明第一实施例画出无线终端的主要部件；
图5是方框图，按照本发明第二实施例画出WGIS的主要部件；
图6是方框图，按照本发明第二实施例画出无线终端的主要部件；
图7是流程图，画出本发明第一实施例中涉及的各个步骤；和
图8是流程图，画出本发明第二实施例中涉及的各个步骤；
图2按照本发明一个示例性实施例，画出无线卫星导航系统200。无线卫星导航系统200包括常规的卫星星座(即多个GPS卫星101)，无线终端203，和无线GPS信息服务器(WGIS)205。卫星星座101最好是GPS系统，该系统本领域是众所周知的。本领域熟练人员将了解在卫星导航系统而不是GPS系统下如何实现本发明。
WGIS205通过电信链路204与无线终端203通信，该电信链路可以是无线链路或陆线链路。本示例性实施例的一个目的是建立精确的定时基准，使系统中的无线终端不用另外维持精确的定时基准而能进行时域码捕获处理。
按照该示例性实施例，无线终端203对信号捕获和信号处理的要求，因使用WGIS 205而降低。具体说，要求常规无线终端执行的GPS码捕获和GPS信号处理的任务，在无线终端203和WGIS205之间分担。在完成无线终端203与WGIS205之间处理任务分担的部分时，如果需要，部分处理过的信号的信息能够通过电信链路204在该两者之间来回交换。
因为每个卫星101发送的GPS信号载运着卫星的位置数据及有关时钟定时信息，所以能够把处理任务在无线终端203与WGIS 205之间分配。更具体说，GPS信号被数字信息调制，调制方式类似于例如蜂窝电话的无线电信号被语音数据调制。该信息能被任何适合于检测和解调的接收机所检测和解调。通过该接收机重建的位置数据，是发射机用于调制信号的信息的精确复制本(除因噪声、失真等引起的可能误差外)，且对所有接收机是一样的，不管它们的位置在何处。该位置数据将被称为“关于卫星的天文历信息”。
在GPS系统中，GPS信号的定时内还有重要的信息。正在发送的卫星按照一些精确的基准，小心地调整被发送的GPS信号的定时，使该信号的定时被无线终端接收时，载运着关于正在发送的卫星与该无线终端之间的距离信息。从一个终端到另一个终端，该信息是不同的，且只能供该无线终端自身使用。该信息将被称为“测距信息”。
例如，因为每个卫星101发送包含有关无线终端203及WGIS205两者的两类信息的GPS信号102，所以，WGIS205能够获得一些或全部有关卫星天文历的信息，虽然WGIS205获得的测距信息只与WGIS205的位置有关，而与无线终端203的位置无关。
但是，WGIS205可以大致知道无线终端203的位置(例如，通过无线终端所在小区和扇区获知)。因此，WGIS205可以把该知识与已获得的测距信息及卫星的天文历信息结合，预测供无线终端203使用的测距信息(特别是预测供无线终端203使用的码相位和Doppler频率)。这些预测，连同卫星的天文历信息，通过电信链路204发送至无线终端203，帮助无线终端203缩减其他GPS信号的信号捕获时间。
由于使无线终端203从获取一些或全部关于卫星天文历信息的任务中解放出来，又轻易地得到预测的测距信息，因而，无线终端203能够用预测信息建立精确的定时基准，然后利用时域的码捕获技术，以较短的时间获取其他GPS信号。
图3是方框图，按照本发明第一实施例画出WGIS205的主要部件。在该实施例中，WGIS205包括GPS天线209、GPS接收机301、粗位置预测器303、卫星可见性预测器305、Doppler预测器307、码相位预测器309、电信系统管理器311、和电信收发器313。
一般说，WGIS205使用它的GPS接收机301(或另外的GPS接收机网络(未画出))，按熟知的方式用粗捕获(C/A)码，也可能用精确(P)码，从水平面以上的每个卫星获取测距信息和关于该卫星的天文历信息。在处理获得的测距和卫星天文历信息时，除别的事项外，WGIS205还用它的GPS接收机301确定：(1)每个卫星的50-bps被调制的比特流，(2)在水平面以上(相对于终端)的卫星的标识，(3)每个卫星的PN同步(即每个卫星发送的PN码的准确定时)，和(4)每个卫星的Doppler频移。
当WGIS205是一无线电信系统的一部分时，该电信系统又把某个地理区域划分为许多称为“小区”的镶嵌区域，那么，WGIS205知道无线终端203是在哪一个小区，从而知道其位置精确到几英里之内。电信系统管理器311把无线终端203所在的小区通知粗位置预测器303。粗位置预测器303使用电信系统管理器311提供的信息，预测无线终端203位置的经度和纬度。
对来自水平面以上的卫星101的每个GPS信号，GPS接收机301确定信号的准确到达时间(即它的PN同步)。GPS接收机301对每个获得的信号解调，恢复其50-bps被调制的比特流。卫星可见性预测器305从收到的被调制的比特流抽取卫星天文历信息，并根据粗位置预测器303预测的纬度及经度，估算无线终端203在其位置上可见到哪一个卫星。Doppler预测器307根据预测的无线终端203的纬度及经度，预测供无线终端203使用的Doppler频率。类似地，码相位预测器309根据从50-bps被调制的比特流抽取的卫星天文历信息，预测供无线终端203使用的码相位。
在经过WGIS 205处理的至少一个GPS信号上，电信收发器313在电信信道204上向无线终端203发送：(1)预测的码相位，(2)预测的Doppler频率，和(3)解调的50-bps被调制的比特流。该类信息统称“导航消息数据”。
图4是方框图，画出无线终端203的主要部件，包括：GPS天线207、GPS接收机401、处理器403、定时校正器405、和电信收发器407。最好是，但不是必须，无线终端203能执行所有与典型无线终端(如蜂窝电话)有关的功能。此外，无线终端最好能具有与WGIS205双向通信的能力。无线终端203通过电信收发器407接收WGIS205发送的导航消息数据，把导航消息数据传送至处理器403。无线终端203还通过GPS接收机401，从可见的卫星接收直接序列扩频C/A码信号。然后，无线终端203在WGIS205提供的卫星Doppler频率帮助下，用常规的频域码捕获技术检测GPS信号之一。
处理器403计算与检测的GPS信号有关的实际的码相位。然后，处理器403把该码相位与WGIS205提供的预测码相位比较，计算实际码相位与预测码相位之差。然后，处理器403把实际码相位与预测码相位之差转换为时间单位，并把该信息转发至定时校正器405。定时校正器405用计算的时间单位，调整无线终端内保持的本机时钟的定时，建立精确的定时基准。
之后，无线终端便能使用时域码捕获技术来检测其他GPS信号，该信号可以对应于同一个卫星，也可以对应于不同的卫星。
图5按照本发明第二实施例，画出WGIS205的主要部件。在该实施例中，WGIS205包括GPS天线209、GPS接收机501、粗位置预测器503、卫星可见性预测器505、电信系统管理器511、和电信收发器513，其中每一个执行的功能，与图3第一实施例中WGIS205的相应部件相似。但是，在第二实施例中，电信收发器513通过电信链路204，把解调的50-bps比特流和预测的无线终端位置转发至无线终端203。
图6按照本发明第二实施例，画出无线终端203的主要部件。无线终端203包括GPS天线207、GPS接收机601、处理器603、定时校正器605、电信收发器607、Doppler预测器609、和码相位预测器611。电信收发器607从WGIS205接收已解调的50-bps比特流和无线终端的近似位置，而预测器609和611分别利用该信息，预测码相位和Doppler频率。
GPS接收机601利用频域码捕获技术检测GPS信号，并把GPS信号转发至处理器603，后者确定实际的码相位。然后，处理器603比较预测的码相位与实际的码相位，确定该两个码相位的差。然后，处理器603把两个码相位的差转换为时间单位，同时，定时校正器605调整无线终端内的本机时钟，建立精确的定时基准。
图7是流程图，按照与图3-4对应的本发明第一实施例，画出涉及GPS信号捕获的各个步骤。在该方法中，WGIS接收GPS信号(步骤701)，确定卫星的天文历信息(步骤703)。WGIS还根据无线终端所在的小区及扇区，计算无线终端的近似位置(步骤705)。然后，WGIS预测供该无线终端使用的码相位和Doppler频率(步骤707)。然后，WGIS把预测的码相位和预测的Doppler频率转发至无线终端(步骤709)。
无线终端通过它的GPS接收机接收预测的码相位和Doppler频率，还用频域码捕获技术检测来自相应卫星的GPS信号(步骤711)。预测的Doppler频率有助于GPS信号的检测。然后，无线终端计算与被检测的GPS信号有关的实际的码相位(步骤713)。然后，无线终端比较实际的码相位与预测的码相位，找出两个码相位之差(步骤715)。然后，无线终端把码相位之差转换为时间单位(步骤717)并用计算的时间单位调整它的定时，建立精确的定时基准(步骤719)。这样，无线终端便能用时域码捕获技术检测其他的GPS信号(步骤721)。其他的GPS信号可以对应于同一卫星，也可以对应于不同的卫星。
图8按照与图5-6对应的本发明第二实施例，画出有关的各个步骤。WGIS接收GPS信号(步骤801)，确定卫星的天文历信息(步骤803)。WGIS还计算无线终端的近似位置(步骤805)。然后，WGIS把卫星的天文历信息和近似位置信息转发至无线终端(步骤807)。
无线终端利用卫星天文历和近似位置信息，预测码相位和Doppler频率(步骤809)。无线终端还用频域码捕获技术检测GPS信号(步骤811)，并计算实际的码相位(步骤813)。图8中的步骤815-821，与图7的步骤715-721类似，这些步骤计算实际码相位与预测的码相位之差，并建立精确的定时基准。如在图7一样，无线终端于是能用时域码捕获技术检测其他GPS信号。
在图7和8两个实施例中，可以说，WGIS把“定时基准辅助信息”发送至无线终端。在图7的实施例中，定时基准辅助信息包括预测的码相位和预测的Doppler频率，在该实施例中，WGIS根据无线终端的近似位置，产生预测的码相位和Doppler频率。在图8的实施例中，定时基准辅助信息包括无线终端的近似位置，然后，无线终端从该无线终端近似位置产生预测的码相位和Doppler频率。
本发明的一个目的，是降低常规的无线终端对信号捕获和信号处理的要求，使按照本发明的无线终端能更快速和用比现有技术的无线终端更弱的GPS信号，确定它的位置。
为了解释本发明，已经说明和演示了本发明各部分的细节、材料、和布局，应当指出，本领域熟练人员，在不偏离本发明下述权利要求书的情形下，可以对上述各部分作各种改变。