专利名称：混合型卫星定位接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于全球导航卫星系统(GlcAal Navigation Satellite System, GNSS)的接收机，且涉及为这样的接收机处理接收到的卫星信号的方法。特别地， 本发明与全球定位系统(GlcAal Positioning System, GPS)有关。
背景技术：
GPS是基于卫星的导航系统，由多达32颗位于六个不同轨道平面中的轨道卫星 (被称为太空交通工具，“SV”)的网络构成。该系统设计要求M颗卫星，但是更多的卫星 提供改进的覆盖范围。所述卫星是不断运动的，使得在几乎不超过M小时内产生围绕地球 的两个完整轨道。由卫星发送的GPS信号是一般已知为直接序列扩频的形式的，直接序列扩频采用 以有规律的方式连续重复的伪随机码。所述卫星广播的若干信号具有不同的扩频码，包括 公众可自由利用的粗捕获码即C/A码以及通常留作军事应用的受限制的精码即P码。C/A 码是长度为1023比特的伪随机码，以1. 023MHz的码率广播，每毫秒重复。每颗卫星发送独 特的C/A码，这样使得该卫星能够被唯一地识别出。每颗卫星在C/A码上调制数据消息，该数据消息包括重要的信息诸如用于发射卫 星的详细轨道参数(被称为星历)、卫星时钟的错误信息、卫星的状态(健康或者不健康)、 当前日期和时间。信号的该部分对于GPS接收机确定精确的定位是至关重要的。每颗卫星 为自身仅发送星历和详细的时钟校正参数，因此，独立的GPS接收机必须处理其在定位计 算中期望使用的各卫星的数据消息的适当部分。该数据消息还包括所谓的历书，历书包括关于所有其它卫星的低精度信息，且历 书是低频率更新的。历书数据使得GPS接收机能够估算一整天中任意时候每颗GPS卫星应 在的位置，从而该接收机能够选择搜索哪些卫星是更高效的。每颗卫星发送示出系统中各 卫星的轨道信息的历书数据。传统的实时GPS接收机读取发送来的数据消息，并存储星历、历书以及其它数据， 用于连续使用。该信息还可被用于设置(或者校正)该GPS接收机内的时钟。为确定定位，GPS接收机比较卫星发送信号的时间与该GPS接收机接收到该信号 的时间。该时间差使得该GPS接收机知道距离该特定的卫星有多远。针对该卫星的星历， 使得该GPS接收机能够精确地确定该卫星的位置。通过将距多颗卫星的距离测量结果与这 些卫星的已知位置相结合，可以通过三边测量法获得该定位。利用至少三颗卫星，GPS接收 机可以确定维度/经度位置(2D定位)。利用四颗或者更多颗卫星，GPS接收机可以确定3D 位置，包括维度、经度和高度。从所述卫星接收的信息也可被用于设置(或校正)该GPS接 收机内的时钟。通过处理来自所述卫星的信号的明显的多普勒频移，GPS接收机也可以精确地提 供移动的速度和方向(被称为“地速”和“地面轨迹”)。来自卫星的完整数据信号由37500比特的导航消息构成，这样以50bps的速度发送需要12. 5分钟。所述数据信号被划分成25个30s的帧，每帧具有1500比特，且这1500 比特被划分成五个6s的子帧。每个6s的子帧被划分成十个30位字。用于定位所必须的所 有信息(星历等)包含在每帧内，因此，GPS接收机从所谓的冷启动产生定位通常需要30s。 这通常被称为“首次定位时间(TTFF) ”。第一子帧给出时钟校正数据，第二子帧和第三子帧给出星历数据，而历书数据在 第四子帧和第五子帧中。所述SV都在相同频率上广播。为区分来自特定卫星的信号，接收机需要生成已 知为该卫星所使用的C/A码的副本，并将其校准成，使得与该进入的信号同步，主要由于所 述进入的信号在从该卫星传输至该接收机期间的传输时间，该信号将被延迟未知量(典型 地，大约0. 07s)。通常，接收机不可能精确地预算使得该副本与该进入的信号同步所必须的 调整，因此需要一些形式的搜索，通过依次尝试若干调整，选择最佳匹配的调整。评估若干 候选的调整的过程通常被称为相关，因为接收机依次在接收到的信号与对于各卫星已知的 C/A码之间执行相关函数，以确定所述接收到的信号是否包含具有来自特定SV的C/A码的 部分。必须对于多个相关计时计算该相关函数，且当找到相关峰值时，该相关峰值对应于特 定的计时和特定的SV。所发现的计时又对应于距所述SV的特定距离。由于接收机观测到的卫星信号的表观频率是变化的，所以对于每个卫星的C/A码 进行搜索是复杂的。变化的主要起源是归因于卫星运动的多普勒效应、归因于接收机运动 的多普勒效应、以及在接收机处的本机振荡器偏移和偏离。这意味着，针对C/A码的穷尽搜 索要求对于在频移范围内的每一频移，在相位(瞬时)位移的范围内估算该相关函数。相关处理有时被称为“解扩”，因为其从信号中移除扩频码。所确定的码相位(即 相关函数的峰值处的计时)揭示了用在距离计算中的精确的计时信息。然而，因为码每毫 秒重复，所以还需要确定粗略计时。典型地，低频重复的数据成份用于更粗略的计时估计 (即，以使得能够获得GPS时间)，诸如50bps数据消息的各比特及其特定部分诸如子帧头 或者子帧转换字。另外，码相位和粗略计时信息包括“伪范围”，因为它们确定来自卫星的消息的传 输时间。该传输时间与以光速c传输的距离有关。这是“伪”范围或者相对范围(而不是 真实范围)，因为卫星的时钟与接收机的时钟之间的相对偏移是未知的。然而，该偏移对于 所有卫星是相同的(因为所有卫星的时钟是同步的)；因此，一组不同卫星的伪范围为三边 测量计算提供足够的信息，以确定唯一的定位。多数GPS接收机通过“实况”地处理来自卫星的信号(即在收到所述信号时处理 该信号)、报告当时该设备的位置的方式工作。这样的“传统”GPS接收机一定包括-用于接收GPS信号的天线，-模拟RF电路(通常称为GPS前端)，其被设计成将所期望的信号放大、滤波并混 合下至中频(IF)，使得它们可以以通常为几MHz数量级的采样率通过适当的模数(A/D)转 换器，-数字信号处理(DSP)硬件，其对A/D转换器所产生的IF数据采样进行相关处理， DSP硬件通常与某种形式的微控制器结合，所述微控制器执行控制该信号处理硬件和计算 所期望的定位所必需的“更高级别”的处理。较少为大众所熟知的概念“存储和较迟的处理”(也被称为，且在下文中被称为“捕获和处理”)也已经被研究。该概念涉及将由传统的天线和模拟RF电路所收集的IF数据 样本存储在一些形式的存储器中，之后，在较迟的时间(几秒、几分钟、几小时甚或几天)之 后，且通常在另外的处理资源更强大的地点，处理所述存储的IF数据样本。这意味着，捕获和处理接收机比实时接收机简单得多。仅需要存储样本的短段，例 如100-200ms的数据值。不再需要解码来自每个SV的(非常慢的)数据消息、不需要执行 相关以及确定伪范围、且不需要实施用以获得定位的三边测量计算。因此，可以省去传统接 收机的数字信号处理硬件的很大部分，降低复杂度和成本。还显著降低了功耗，致使电池的 寿命更长。也已经提出其它的捕获和处理接收机，所述捕获和处理接收机包括计算定位所必 需的DSP硬件。在一种模式下，这样的设备对GPS信号进行接收、采样并将其存储在存储器 中，但不处理所述GPS信号。当切换到分离模式时，该设备停止接收信号，而开始处理之前 存储的那些样本。该类设备适用于产生追溯(posthumous)的轨迹或者运动的历史，例如在 用户旅行返回之后。

发明内容
根据本发明的一方面，提供一种卫星定位接收机，包括RF前端，用于接收卫星定 位信号；模数转换器，用于对所述接收的信号进行采样，以产生信号样本；存储器；以及处 理器，用于处理所述信号样本，以获得码相位和伪范围并计算定位，该接收机具有第一模式 和第二模式，在第一模式中，所述接收机在接收到样本时立即操作处理该样本，以计算定 位；在第二模式中，所述接收机可操作将所述样本或者所述码相位或伪范围存储在所述存 储器中，用于之后的处理。这是一种混合型接收机，其结合了实时接收机的优点与捕获和处理接收机的优 点。不同于已知的接收机，该混合型接收机提供了与支持实时导航的能力相结合的捕获和 处理技术的优点。与传统的知识相反，本发明人认识到，在某些应用中，取决于不同的情况， 单一接收机作为捕获和处理接收机或者作为实时接收机是有利的。例如，该类型的捕获和 处理轨迹设备有时用在室外娱乐中，那么在紧急情况下计算“实时”定位可能是非常有用 的。相反，对于实时接收机，临时(例如在启动不久后、实时定位功能初始化完成之前的时 期内)工作在捕获和处理模式下可能是有用的。对应于所述接收机至外部电源的连接，可选择所述第一模式。这提供了混合型接收机，该混合型接收机当被连接至外部电源(诸如汽车电池) 时产生实时定位，而当该混合型接收机依靠内部电池电源工作时存储样本(或码相位或伪 范围测量结果)。若期望且在期望时，存储的样本或者中间测量结果用于追溯地计算定位。 这允许设备在被连接至充裕的电源时工作在第一、高功率、实时导航模式下，而在依靠自身 电池运行时工作在第二、低功率、离线轨迹模式下。通过在这两种模式之间自动切换延长了 电池寿命。可替选地，所述第二模式可以对应于待机状态(当不要求实时导航功能且设备旨 在消耗最少的功率时)。根据一些实施例，提供了一种卫星定位接收机，包括RF前端，用于接收卫星定位 信号；模数转换器，用于对所述接收的信号进行采样，以产生信号样本；存储器；以及处理器。该处理器用于确定足够质量的卫星轨道信息在该接收机处是否是可用的；若所述轨 道信息是可用的，则处理所述样本，以计算定位；而若所述轨道信息是不可用的，则将所述 样本存储在所述存储器中，用于之后的处理。当所要求质量的卫星轨道信息是可用的时，所述设备可以工作在第一模式下，像 常规的实时接收机那样，报告瞬时位置。然而，当可用的轨道信息不充足时，所述设备可以 通过将信号样本存储在存储器中的能力而扩展工作在第二模式下。本发明人认识到已知的实时卫星定位接收机的缺点在于，它们在接收到并解码出 每颗卫星的数据消息中的星历之前，不能开始测量设备的位置。这导致了长的TTFF，特别是 在冷启动之后。在一些实际应用中，在卫星轨道信息变得可用之前，能够提供设备位置的记 录将是有用的(即使实际的定位在之后才能被报告)。解决办法是，临时切换到一个模式， 其中所接收的样本被缓冲。特别地，这是基于认知到卫星轨道信息(诸如星历和历书数据) 在一段适度的时期是有效的，不仅在每颗卫星发送该信息之后，而且在发送之前的时期。这 是与直觉相违背的，但其允许在与实时接收机通常所使用的过程反相的过程中，将卫星的 轨道插补到过去，以在将来预测卫星的位置。这两种模式(实时和缓冲)不必定相互排斥有时在处理样本之外缓冲所述样本 可能是有利的。例如，在稀疏或者低精度的卫星轨道信息可用的情况下，样本可以被立即处 理(以产生大致的位置)，同时样本还被存储在存储器中，以防更精确或者完整的轨道信息 之后便得可用。当然，若因为没有任何轨道信息可用而缓冲样本，则不可能立即处理所述样 本。注意，所述卫星轨道信息可以包括用于多颗卫星的星历或者(低精度的)历书数 据。轨道信息的精度越高和越完整，得到的定位就可能越精确。因此，在本文中，最少的有 效卫星轨道信息为足以能够计算位置的至少宽泛估计的信息。用于确定何时卫星轨道信息 的质量(即，完整性和精度)足够的具体标准可以根据卫星定位接收机的预期使用而预先 设定；或者其可以随时间变化和/或随着单一接收机用于不同的目的而变化。例如，基于当前的历书数据的位置估计的精度通常在若干千米的范围内。这对于 识别县或者最近的城市应该足够了。甚至识别州或者国家的能力对于一些目的可以是有用 的，特别是在该初始估计在之后可以被精确化的情况下。在其它应用中，这样的模糊位置估 计可能价值较低或者没有价值，因此，质量的预定阀值水平将相应地更高。基本上，假设此 时卫星轨迹数据的质量可用，则接收机立即判断处理信号样本是否有价值。卫星轨道信息的质量也可以取决于其年龄。年龄应该足够小，使得对于所讨论的 卫星轨道在与轨道信息相关的时间和捕获样本的时间之间具有明显变化，存在相当低的预 期。当在不可用的时期之后，足够质量的卫星轨道信息变得可用时，所述处理器还可 以用于从所述存储器中重新得到所存储的样本；以及基于所述卫星轨道信息处理所述样 本，以计算定位。这使得接收机一旦可以获得足够高质量的轨道数据时，能够追溯性地 (retrospectively)处理在可用的轨道数据不足够时所存储的样本。可以通过各种手段获 得或者提供卫星轨道数据例如，接收机可以接收并解码卫星数据消息的足够部分，以获得 历书和/或星历。也可以通过一些其它的通信信道，诸如地面无线传输，向接收机提供星历。这有时被称为数据协助(data-aiding)。以这种方式从外部源下载的轨道数据可能是 追溯性的，即，其可能对应于所讨论的样本被接收时的实际时间。例如，历史的历书或者星 历可以经由互联网从提供商处得到。作为由接收机追溯性地处理所存储的样本的替选(例外)，所述接收机中的处理 器可以适于将所存储的样本上传至另一用于追溯性地处理的设备。在一个这样的示例中， 若所要求质量的实况轨道信息可用，则接收机实时处理样本；但是，当这样的轨道信息在接 收卫星信号时不可用时，样本被存储且之后被所述另一设备处理。例如，所存储的样本可被 上传至具有互联网连接的个人计算机(PC)。然后，该PC可以下载处理样本和获得定位所需 要的相关轨道信息。模数转换器可操作，以在预定的时间间隔上对所接收的信号进行采样，以产生一 组预定大小的样本；处理器可以适于在任何另外组的样本被处理之前，穷尽地处理该组样 本，以计算定位。传统的实时接收机以处理流水线操作，该处理流水线允许以限量的时间处理由RF 前端所产生的信号样本的每一段。这通常导致对于每个给定组的样本，仅有小部分的搜索 空间(对于每个卫星C/A码，相位和频率的搜索空间)被测试。本发明人认识到这在前端 和A/D转换器处浪费了能量。当工作在缓冲模式下时，本发明的接收机能够在移动前进和 要求来自前端的又一组样本之前，通过对每组样本实施全搜索而更加有效地工作。这样，每 个组的样本可以以相同的、最大的程度被利用。根据其它实施例，提供了一种卫星定位接收机，包括RF前端，用于接收卫星定位 信号；模数转换器，用于对所述接收的信号进行采样，以产生信号样本；存储器；以及处理 器。该处理器用于在接收到样本时处理所述样本，以获得码相位或者伪范围数据；确定足 够质量的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若所述轨道信息可用，则处理所述码相 位或者伪范围数据，以计算定位；若所述轨道信息不可用，则将所获得的码相位或者伪范围 数据存储在所述存储器中，用于之后的处理。在该变型中，与常规的实时接收机一样，该接收机处理接收到的样本，以测量码相 位或者伪范围(为创建伪范围，需要更多的处理，因为除了所述码相位，还必须确定数据消 息中的位置)。然后，取决于一些规定质量的卫星轨道信息的可用性，这些测量结果被存储 或者被处理。该基本概念与在选择处理样本或者存储样本时一致，但是接收机的处理流水 线在不同的阶段被中断。该方案具有与上述优点相类似的优点。此外，知道哪些卫星产生 码相位或者伪范围的测量结果，可以使得能够更知情地确定是否足够的卫星轨道信息可用 (例如，看不见的卫星的星历将与该确定不相关)。在计算出伪范围后，原始采样将可能被删除。然而，也可能将所述采样与所获得的 伪范围一并存储。若不保留所述样本，在其被删除之前，从所述样本中获取其他有用的中间 数据可能是有利的。例如，可以记录检测到的信号强度、观测到的载波频率、或者对可靠性 或精度的估计，用于之后的使用。基于观测到的载波频率的多普勒频移的方式，该数据可以 用于补充伪范围数据，或者用于计算其它的参数，例如速率。若码相位测量结果被存储，码相位测量结果还可以包括位边缘(bit-edge)测量 结果(尽管这不是必不可少的)。注意，实际上，由于粗略计时的不明确性，码相位测量结果 本身不足以计算伪范围。然而，可以通过存储足以解决该不明确性的任何类型的信息而补充码相位测量结果。例如，一旦接收机中的实时时钟能够在某一时刻被同步至卫星时钟，则 该实时时钟可以产生足够精确以解决该不明确性的时间戳。当有效的卫星轨道信息在不可用时期之后变得可用时，所述处理器还优选地用 于从所述存储器中重新获得所存储的码相位或者伪范围数据；以及基于所述卫星轨道信 息处理所述码相位或者伪范围数据，以计算定位。处理器可以在处理样本以获得码相位或伪范围数据时，停用RF前端和/或A/D转 换器。这使得能够降低所述设备的功率消耗，因为在处理完成之前的样本前，能量不会 浪费在捕获额外的信号样本方面。模数转换器可操作，以在预定的时间间隔上对所接收的信号进行采样，以产生一 组预定大小的样本；处理器可以适于在任何另外组的样本被处理之前，穷尽地处理该组样 本，以获得码相位或伪范围数据。处理器还可用于仅在检测到外部电源时，重新获得并处理所存储的样本或者码相 位或为伪范围数据。一旦样本(或者中间测量结果)已被存储(而不是被处理)，则可能期望继续最小 化功率消耗，直至可以利用不受限制的电源。在存储之后，接收机可以恢复至常规的实时模 式，但之前所存储的数据不会被追溯性地处理，直至有效的轨道信息和合适的电源被供给。优选地，处理器还适于在存储器中存储与所存储的样本或者码相位或者伪范围数 据相关联的时间戳。当所存储的信号样本或者测量结果之后被处理以计算定位时，与它们相对应的时 间点的指示是有用的。若卫星轨道数据的历史记录可用，则需要选择哪个数据与所讨论的 样本(或者码相位或者伪范围)最相关。类似地，若接收机下载卫星轨道数据的单一实例， 则当所述轨道数据有效时，捕获的时间戳使得接收机能够确定所存储的哪个样本(或者中 间测量结果)与所述时间间隔重叠。处理器还可适用于在样本或者码相位或者伪范围数据被处理以计算定位之后， 将它们存储在存储器中；当改进质量的卫星轨道信息变得可用时，从存储器中重新获得它 们；以及再处理它们，以基于改进的卫星轨道信息，计算被修正的定位。在计算出定位之后保留样本或者伪范围是与直觉相违背的。通常，当计算出最终 结果(定位)时，这样的源和中间测量结果会被删除。然而，本发明的混合接收机可以保留 存储在存储器中的数据，希望之后更好的(或者校正的)卫星轨道数据变得可用。例如，在 初始基于历书数据或者不完整的星历计算出定位的情况下，该希望是可能出现的。当对于 更大量的卫星而言完整的星历变得可用时，那么可以更加精确地重新计算出定位。还提供了一种用于卫星定位接收机处理卫星定位信号的方法，所述卫星定位信号 在接收机处被接收且被采样以产生信号样本，所述方法包括确定有效的卫星轨道信息在 所述接收机处是否可用；若所述轨道信息可用，则处理所述信号样本，以计算定位；若所述 轨道信息不可用，则将所述信号样本存储在存储器中，用于之后的处理。还提供了一种处理卫星定位信号的相关的可替选的方法，所述卫星定位信号在接 收机处被接收且被采样以产生信号样本，所述方法包括处理所述样本以获得码相位或者 伪范围数据；确定有效的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若所述轨道信息可用，则处理所述码相位或者伪范围数据，以计算定位；若所述轨道信息不可用，则将所述码相位 或者伪范围数据存储在存储器中，用于之后的处理。根据本发明的另一方面，提供一种包括计算机程序编码手段的计算机程序，所述 计算机程序编码手段用于当所述程序在计算机上运行时，执行这些方法的所有步骤；且这 样的计算机程序包含在计算机可读介质上。


下面将参考附图以示例的方式描述本发明，附图中图1为根据本发明实施例的卫星定位接收机的框图；图2为根据本发明第一实施例的处理卫星定位信号的方法的流程图；图3为根据第二实施例的相关方法的流程图。
具体实施例方式图1示出适于根据本发明实施例工作的GPS接收机。该GPS接收机5包括耦连至 RF前端12的天线10。该RF前端12包括用于放大通过天线10接收到的GPS信号的电路。 该RF前端12还包括用于削弱带外干扰的滤波电路；以及混合器。该混合器混合所接收到 的信号与本机振荡器14的输出。在进一步合适地滤波之后，得到中频(IF)信号，中频(IF) 信号是模数转换器16的输入。A/D转换器16与本机振荡器的信号同步。由A/D转换器16 产生的信号样本被输出至用于处理的处理器的18。注意，RF前端12和A/D转换器16的模 拟电路可以是传统类型的，诸如技术人员所熟知的。处理器18提供用于处理从A/D转换器16接收的信号样本的两种模式。在第一模 式中，处理器操作，以在信号被接收并采样时立即处理该样本。这种处理包括获得伪范围以 及计算定位。因此，这种模式适用于实时导航，因为提供了实况定位。在第二模式中，处理 器操作，以将数据存储在存储器20中，而不完成处理。被存储在存储器20中的数据可以包 括A/D转换器16所提供的IF信号的原样本，或者可以包括被部分处理过的数据，诸如伪范 围。还提供了实时时钟22。该时钟22由本机振荡器14驱动，且可以用于产生与存储 在存储器20中的数据相关联的时间戳。这使得之后能够确定所述数据被存储的大致时间。注意，处理器18可以被实现为定做的硬件设备，诸如一个或者多个特定用途集成 电路(ASIC)。可替选地，处理器18可以包括一个或者多个已被合适地编程的通用处理单元 或者数字信号处理器(DSP)。实现任一可替选方案都在本领域技术人员的能力范围内。根据本发明的第一实施例，GPS接收机5实现图2的流程图所示的方法。RF前端通过天线10接收GPS信号(210)。这些信号被滤波和下混合(220)，然后 被A/D转换器16采样030)。典型地，原IF数据在大致200ms的时间段上被捕获。例如通 过减少位分辨率或者通过适时抽取，可以减少数据量。在该实施例中，处理样本所依据的模式通过卫星轨道数据的可用性来确定。在步 骤240中，处理器检查有效的卫星轨道数据在接收机处是否可用。这里，有效的轨道数据指 足以计算定位的星历或者历书数据。例如，三颗卫星的星历数据可能是足够的，若所有这三 颗卫星都可见，且可以为它们计算出伪范围(当然，在处理的该阶段，通常不知道哪些卫星在所捕获的IF样本中是可见的)。为了是有效的，星历或者历书数据必须也是相当新的。 例如，星历通常被认为有效达两个小时。然而，仍可以使用更旧的星历来计算定位，以产生 大致的估计。若轨道信息是可用的，则处理器18以常规的方式处理IF信号样本。这包括借助 于相关计算，为多颗卫星测量伪范围050)。使用这些伪范围和可用的轨道信息，处理器于 是计算定位(260)。另一方面，若轨道数据在接收机处不可用，则处理器将该组样本存储在存储器20 中070)。这与已知的GPS接收机不同，已知的GPS接收机则会删除这些样本。根据该实施 例，样本被保留在存储器20中，同时接收机等待轨道数据在接收机处变得可用080)。当这 样的轨道数据可用时，处理器18从存储器中重新获得样本090)，且像常规的那样继续处 理所述样本050、260)。可以以各种方式将有效卫星轨道数据提供至接收机5。与传统的实时接收机类似， 可以从卫星数据消息中解码出历书和星历。可替选地，接收机5可以通过在分开的通信链 路(未示出)上传送的星历和历书数据协助。例如，所述数据可以通过无线互联网或者移 动电话连接从数据库服务器获得。不管卫星轨道数据是如何被提供的，本方法的一个优点 是相同的在轨道数据变得可用之前，可以开始创建位置记录。接收机需要等待轨道数据(观0)的时间长度是变化的。一般而言，所提供的轨道 数据并非精确地对应样本被存储O70)的时间。因此，优选记录与样本相关联的时间戳，该 时间戳指示样本被接收和被数字化的大致时间(根据内部实时时钟22)。然后，当轨道数据 变得可用时，各卫星的轨道参数可被用以预测在该相关时间时该卫星星座的位置。预测可 以在时间上向前或者向后。当测量伪范围O50)时，知道卫星星座的设置将有助于在相关 处理中区分搜索卫星C/A码的优先次序。此外，具有对所存储的样本的大致时间估计，随后 将使得能够更加有效地确定精确计时和相应的精确卫星位置。一般而言，当获得码相位和伪范围时，将可以在每个给定组的样本上测试全搜索 空间，因为处理与由A/D转换器16产生新的样本的速率分离。下面将参考图3描述根据本发明第二实施例的方法。在该实施方式中，接收GPS信号的步骤210、滤波和下混合的步骤220以及对IF信 号进行采样的步骤230，以与第一实施例相同的方式被执行。然而，第二实施例的处理器试 图从每个到达的采样组中立即测量伪范围O50a)。在随后处理时，可以停用RF前端12和 A/D转换器16，以降低功耗。因为A/D转换器16不产生新的样本，可以实现对可见的卫星 的穷举搜索(250a)，而没有对一般与实时GPS处理流水线相关联的等待时间的限制。S卩，用 于每颗卫星C/A码的相关函数可以在相移和频偏的全范围上被估计。通过首先获得各卫星(在步骤250a中)，对当前IF信号样本组能够支持计算可行 的定位，第二实施例的处理器将更有把握。若测量伪范围O50a)失败，或者发现卫星数量 不足，则RF前端和A/D转换器可以被再激活，以捕获新的信号。最后，将获得足够数量的卫 星，且成功计算出伪范围。然后处理器检查卫星轨道数据当前是否可用O40a)。若是可用的，则处理器使用 轨道数据和所测量出的伪范围计算定位060)。另一方面，若有效的卫星轨道数据不可用， 则所测量出的伪范围被存储在存储器20中(275)。伪范围占据的存储器容量小于相应的原IF数据样本占据的容量，这是该实施例相对于第一实施例的潜在优点。与在第一实施例中一样，接收机等待轨道数据变得可用(观0)。当轨道数据变得可 用时，从存储器中重新获得伪范围095)，并处理该伪范围以计算定位060)。在上述的两个实施例中，接收机可以继续工作，同时等待有效的历书和/或星历 信息变得可用。因此，IF信号可以被连续地或者周期地采样030)，而信号样本根据图2或 者图3所示的流程图被处理。一旦获得有效的轨道信息，新的样本组将被实时地自动处理 (归因于步骤240或者步骤MOa中肯定的判定)。之前存储在存储器中的样本(或者伪范 围)也可以被重新获得090、295)，且被处理器处理；然后，这不是必要的，相反，它们可以 被保留在存储器中。该从存储器中可选的取出由图2和图3中虚线所示的处理步骤所指示。 若在轨道数据变得可用之后，数据被保留在存储器中，则数据可以之后被处理器18处理或 者可以被从接收机上传至外部设备，诸如PC。通过这种方式，可是实现更类似已知的捕获和 处理接收机的操作。尽管在附图和前面的描述中详细地说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述 应被认为是说明性的或者示例性的，而非限制性的；本发明不限制于所公开的实施例。特别地，在第二实施例中，取代测量和存储全伪范围，接收机可以存储码相位。这 避免了建立粗略计时(数据消息中的位置)所需要的额外处理。然而，在该情况下，当码相 位之后被处理时将需要辅助的信息，以使得粗略计时的模糊性能够被解决。因此，典型地， 需要与码相位一起存储一些其它信息。可以以很多种方式确定粗略计时，因此，应被存储以补充码相位的数据的类型也 可以广泛地变化。最终，所需要的是对与码相位测量相对应的时间点的大致估计，以及将该 估计与卫星时钟相关的某种方式。然后，这使得数据消息中的位置可以被确定。假定该时 钟与卫星时钟之间的关系可以被建立成，足够精确以能解决该模糊性，则可以从接收机的 内部时钟确定大致时间。因此，在一个示例中，由内部时钟产生的时间戳可被存储，以补充 所测量出的码相位。可以通过间歇性地存储足够长以能够提取出卫星时钟信息的一批信号 样本(也具有本机时间戳)，建立与卫星时钟的该关系。确定粗略计时的可替选方式对于本 领域的技术人员是清楚的。例如，可以使用对位置的粗略估计(在码相位被测量时)，以推 断粗略计时(因为计时在每个时间点上唯一地与卫星相对于接收机的相对位置有关)。粗 略位置估计可以从某些外部源获得，或者例如可以由观测到的卫星星座的多普勒频移计算 出。通过该方式，存储明显的(观测到的)卫星广播频率也可以是所存储的码相位的合适 补充。信号强度测量结果也是对所存储的码相位或者伪范围信息的常规补充，因为信号 强度测量结果捕获相关峰值的幅值，以及其定时。低幅度峰值可以是串扰、错误检测或者多 径效应的证明；因此，信号强度数据可被用以验证或者删节码相位或者伪范围数据。在另一变型中，若所存储的样本或者码相位或者伪范围数据被上传用于外部 处理，则存储和上传与接收机或者被上传的数据相关的额外信息可能是有利的。WO 2005/04M58描述了辅助信息如何被GPS接收机5输出至外部设备，该外部设备将负责处理 所存储的数据(样本或者中间测量结果)。该辅助信息可以包括元数据，所述元数据使得外 部设备(诸如PC)能够适应接收机5的具体特征，或者适应所存储的数据的格式或者其它 特征。这是有用的，因为可以改进不同范围的接收机与信号处理软件之间的互操作性。
WO 2008/068704描述了当所存储的GPS数据被传送至外部设备时，如何可以包括 接收机5特有的标识码。这使得GPS信号处理软件的提供商能够确保该软件的每一许可拷 贝仅与单一接收机一起使用，且不会被复制用于与其它接收机一起使用。在相关的研究中，WO 2004/059337描述了由GPS接收机5输出的数据如何可以被 加密，以确保该数据仅由授权的或者兼容的信号处理软件处理。如上文中已注意的，与伪范围或者原IF数据样本一起存储的最有用的信息之一 是时间戳。在多组样本被捕获并存储(或者被捕获；被处理，以测量伪范围；以及存储所述 伪范围)的情况下，使用时间戳可能是特别有利的。例如，之前WO 2009/000842描述了当 一起处理所有组时，如何使用分开捕获的IF数据样本组的相关定时，以提高效率。在WO 2009/000842的方法中，每组样本最初经受快速、粗略的处理，例如在短的 整合时间(integration time)对卫星C/A码进行相关函数搜索。这将检测到具有相当高信 噪比(SNR)的强卫星信号。然后，具有检测到的最强信号的该组样本被详细地处理，例如， 使用更长的整合时间，以检测较弱的卫星信号。当处理完该组样本时，处理器知道接收机在 给定时间点的位置，且知道该时间点的精确时间(卫星时钟)。然后，可以使用已知的时间 和位置作为参考，处理其它组的样本，以及使用时间戳之间的相对差，以精确地预测其它组 的卫星时钟时间。此外，参数诸如多普勒频移量可能很慢地随时间变化，因此，所述参数通 常将与在相当短的时间间隔上被捕获的样本组相关。(注意，多普勒频移通常受卫星运动和 接收机LO偏置影响，卫星运动和接收机LO偏置都很慢地变化)。该认识将有助于更好地区 分在频率维度以及相移方面的相关搜索策略的优先次序。WO 2009/000842还公开了如何使用所有卫星传送的数据消息的完整拷贝，以使得 伪范围和定位能够由比另外的可能更短的持续时间的捕获结果(样本组)计算出。该技术 可以以各种方式与本发明一起使用。若接收机实时解码数据消息，则在最近解码出的所有 数据比特的记录可被存储在存储器中。这应对于样本组被存储在存储器中(270)的情况， 因为卫星轨道信息还未被完全下载。一旦足够比特量的数据消息被解码，且提取出了轨道 信息，则应当可以追溯地和排它地将所存储的样本的短(100-200ms)组与解码后的数据消 息相匹配。这将精确地解决了计时的模糊性，以使得能够确定伪范围。WO 2006/018803描述了一种与信号样本一起存储时间戳的高效且有效的方式 GPS信号样本的少部分可以在存储器中简单地被时间戳比特覆盖(被替换)。这不仅避免 了对分开记录时间戳的需要，还确保了时间戳与所接收的样本的精确同步。捕获的样本组 的少量缺失部分通常不会降低随后的处理步骤的质量。在其它实施例中，接收机5可以是辅助GPS(A-GPS)接收机，该接收机可以从辅助 服务器获得历书、星历或者潜在的全卫星数据消息记录。该服务器可以从固定的GPS接收 机或者分散在全世界的接收机网络处搜集该信息。这些参考接收机中的每一个将解码后的 卫星数据消息报告给中央数据库。可替选地，辅助数据可以动态地从移动GPS接收机网络 处被收集。即，每个GPS接收机可以与中央服务器分享其自身的、对卫星数据消息的片断观 测结果。该服务器可以整合这些观测结果，以形成完整的记录，所述完整的记录于是可以被 所有接收机访问。如上所注意的，与数据辅助服务器的通信可以通过任何方便的手段，但通 常是通过某种类型的无线数据连接。在如上所述的第一实施例和第二实施例中，基于有效卫星轨道数据的可用性来选择模式。在其它实施例中，可以基于其它指示选择操作模式。例如，当设备连接至外部电源 时，接收机5可以实时地(第一模式)处理样本。这意味着，实况位置计算所需要的高能 耗的处理仅在外部电源存在时进行。当设备依靠内部电池电源运行时，其工作在第二模式 (存储样本或者伪范围，而不计算定位)，以延长电池寿命。此外或者可替选地，检测到外部电源也可用以触发对存储在存储器中的数据(当 设备工作在第二模式下所存储的数据)的处理。对电源的依赖可以与对轨道数据的可用性的依赖结合，因为轨道数据的可用性通 常对于计算定位是必不可少的。在另外的实施例中，模式选择可以完全或者部分地响应于用户的输入。例如，接收 机5可以缺省为实时工作(第一模式)。然而，用户可以通过合适的用户界面请求“立即定 位(immediate fix) ”，以记录当前的位置。若在有效轨道数据不可用时明确地请求这样的 立即定位，则设备临时切换至第二模式，存储样本组或者获得的伪范围，从而所请求的位置 可以在之后被追溯地计算出。所描述的各方法的另一潜在的有用变型为，甚至在计算出定位之后，继续存储数 据样本(或者码相位或者伪范围，视情况而定)。即，处理器在存储器中存储原样本(或者 由原样本获得的中间测量结果)，并且同时处理它们，以估计位置。该方法用于卫星轨道信 息是不可靠的、不完整的或者之后发现是不正确的情况。例如，在测试O40或者MOa)被 评估时，若相对陈旧的历书数据是仅有的可用轨道信息，则设备仍然可以基于对卫星可能 的位置的大致预测来计算定位(沈0)，同时也存储样本O70或者伪范围27 。得到的位置 估计不可能是精确的，但其对于用户来说依然具有某种价值(特别是若可以指示估计的误 差范围)。之后，新的星历数据变得可用。所存储的数据可以根据该更新的、改进质量的卫 星轨道信息而被再处理，以修正和改进定位。通过使用更加先进的技术可以增强名义上陈旧的卫星轨道数据对卫星轨道的推 断。例如，可以使用移动模型、相互作用和天体(如地球、太阳和月亮)的重力影响，以产生 对卫星轨道的更好的估计。这可以使得星历和历书信息能够在远离常规有效时期时被使用。注意，参考超外差接收机结构描述了上述实施例，其中RF信号被下混合至中频。 当然，本领域的技术人员将容易地理解，相同的原理可以应用于直接变频接收机。实际上， 这样的接收机可以简单地被认为具有为零的中频。容易理解，本发明不限制于计算位置估计。此外，当然可以计算其它参数诸如速 度。例如，一旦已知接收机的位置，通过卫星定位信号的多普勒频移计算速度是熟知的。在各实施例中，除了在RF前端中的传统滤波，还可以在接收到的GPS信号被采样 后，进一步对所述信号进行滤波。例如，US 2008/0M0315描述了用于干扰抑制的方法和电 路。滤波可以是RF前端的一部分或者是基带处理的一部分。该类型的数字滤波可以是自 适应的。即，可以分析采样后的信号，以确定是否存在干扰，若存在干扰，则测量干扰的特性 (例如，频率或者功率)。于是数字滤波可以自动适应，以任选地去除或者衰减干扰。在更 高的采样率下(如模数转换器的输出)实施滤波，然后将滤波后的信号样本降低至更低的 频率(或者位分辨率，或者二者)，之后存储或者处理它们，可能是特别有利的。若所述样本 被存储，则这样减少了存储量和对存储器接口的吞吐量的要求。若所述样本被立即处理，则降低采样率或者分辨率降低可以减少功率消耗和/或处理硬件的复杂度。然而，通过事前 滤波，得到的分辨率降低的信号的质量很可能更高。 本领域的技术人员通过研究附图、公开的内容和所附权利要求，在实现本申请所 要求保护的发明时，可以理解和实现所公开的各实施例的其它变型。在权利要求中，词“包 括”不排除其它元件或者步骤，不定冠词“一(a)”或者“一(an)”不排除多个。单一处理器 或者其它单元可以实现权利要求中所述的多项功能。一些手段被记载在互相不同的从属权 利要求中的事实，不说明这些手段不可以组合使用以获益。计算机程序可以被存储/分配 在合适的媒介上，诸如光存储媒介或者固态媒介，所述合适的媒介与其它硬件一起被提供 或者作为其它硬件的一部分被提供，但是计算机程序可以以其它形式被分配，诸如通过互 联网或者其它有线或无线电信系统。权利要求中的任何标号不应被解释为对范围的限制。
权利要求
1.一种卫星定位接收机，包括 RF前端，用于接收卫星定位信号；模数转换器，用于对所接收的信号进行采样，以产生信号样本； 存储器；以及处理器，用于处理所述信号样本，以获得码相位和伪范围并计算定位， 所述处理器具有第一模式，在该第一模式中，该处理器可操作，以在所述样本产生时 处理这些样本，以计算定位；以及第二模式，在该第二模式中，该处理器可操作，以将所述样 本或者码相位或者伪范围存储在所述存储器中，用于之后的处理。
2.根据权利要求1所述的卫星定位接收机，其中，响应于所述接收机至外部电源的连 接而选择所述第一模式。
3.根据权利要求1所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器用于 确定预定质量的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若这样的轨道信息可用，则选择所述第一模式，其中，所述信号样本被处理，以计算定 位；以及若这样的轨道信息不可用，则选择所述第二模式，其中，所述样本被存储在所述存储器 中，用于之后的处理。
4.根据权利要求3所述的卫星定位接收机，其中，当预定质量的卫星轨道信息在一段 不可用的时间之后变得可用时，所述处理器还用于从所述存储器中重新获得所存储的样本；以及 基于所述卫星轨道信息处理所述样本，以计算定位。
5.根据权利要求3或4所述的卫星定位接收机，其中所述模数转换器可操作，以在预定的时间间隔上对所接收的信号进行采样，以产生预 定数量的一组样本；并且所述处理器用于在任何另外的样本组被处理之前，穷尽地处理所述一组样本，以计算 定位。
6.根据权利要求1所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器用于 当所述样本产生时处理这些样本，以获得码相位或者伪范围数据； 确定预定质量的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若这样的轨道信息可用，则选择所述第一模式，其中，所述码相位或者伪范围数据被进 一步处理，以计算定位；以及若这样的轨道信息不可用，则将所获得的码相位或者伪范围数据存储在所述存储器 中，用于之后的处理。
7.根据权利要求6所述的卫星定位接收机，其中，当预定质量的卫星轨道信息在一段 不可用的时间之后变得可用时，所述处理器还用于从所述存储器中重新获得所存储的码相位或者伪范围数据；以及 基于所述卫星轨道信息处理所述码相位或者伪范围数据，以计算定位。
8.根据权利要求6或7所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器用于在处理所述样本 以获得所述码相位或者伪范围数据时，停用所述RF前端和/或模数转换器。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的卫星定位接收机，其中，所述模数转换器可操作，以在预定的时间间隔上对所述接收的信号进行采样，以产生 预定数量的一组样本；以及所述处理器用于在任何另外的样本组被处理之前，穷尽地处理所述一组样本，以获得 所述码相位或者伪范围数据。
10.根据权利要求4或7所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器还用于仅在外部 电源被检测到时，从所述存储器中重新获得所存储的样本或者码相位或者伪范围数据，并 处理这些样本或者码相位或者伪范围数据。
11.根据前述权利要求中任一项所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器还用于在 所述第二模式中，将与所存储的样本或者码相位或者伪范围数据相关联的时间戳存储在所 述存储器中。
12.根据前述权利要求中任一项所述的卫星定位接收机，其中，所述处理器还用于在样本或者码相位或者伪范围数据被处理以计算定位之后，将这些样本或者码相位或 者伪范围数据存储在所述存储器中；当更高质量的卫星轨道信息变得可用时，从所述存储器中重新获得所存储的样本或者 码相位或者伪范围数据；以及基于更高质量的卫星轨道信息再处理所存储的样本或者码相位或者伪范围数据，以计 算被修正的定位。
13.一种用于卫星定位接收机处理卫星定位信号的方法，该卫星定位信号在该接收机 处被接收，并被采样以产生信号样本，该方法包括确定预定质量的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若这样的轨道信息可用，则在所述信号样本产生时处理这些信号样本，以计算定位；以及若这样的轨道信息不可用，则将所述信号样本存储在所述存储器中，用于之后的处理。
14.一种用于卫星定位接收机处理卫星定位信号的方法，该卫星定位信号在该接收机 处被接收，并被采样以产生信号样本，该方法包括在所述样本产生时处理这些信号样本，以获得码相位或者伪范围数据；确定足够质量的卫星轨道信息在所述接收机处是否可用；若这样的轨道信息可用，则进一步处理所述码相位或者伪范围数据，以计算定位；以及若这样的轨道信息不可用，则将所述码相位或者伪范围数据存储在所述存储器中，用 于之后的处理。
15.一种包括计算机程序编码手段的计算机程序，所述计算机程序编码手段用于当所 述程序在计算机上运行时，执行根据权利要求13或者14所述的方法的所有步骤。
全文摘要
一种混合型卫星定位接收机，包括RF前端，用于接收卫星定位信号；模数转换器，用于对所述接收的信号进行采样，以产生信号样本；存储器；以及处理器，用于处理所述信号样本，以获得码相位和伪范围，以计算定位。该处理器具有第一模式，在所述第一模式中，该处理器可操作，以在所述样本产生时处理它们，以计算定位。所述处理器还具有第二模式，在所述第二模式中，该处理器可操作，以将所述样本或者码相位或者伪范围存储在所述存储器中，用于之后的处理。
文档编号G01S19/30GK102141626SQ201010610169
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月17日
发明者安德烈·提尔, 迈克尔·阿曼 申请人:U布洛克斯股份公司