專利名稱：Gps快速熱啟動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GPS接收機(jī)的熱啟動(dòng)開機(jī)，尤其是一種GPS快速熱啟動(dòng)方法，屬于GPS 通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
GPS系統(tǒng)，是直接序列擴(kuò)頻(DSSS， Direct Sequence Spread Spectrum)通信系統(tǒng)。 它的主要特點(diǎn)在于，采用偽隨機(jī)噪聲碼(Pseudo Random Noise Code)對(duì)載波進(jìn)行擴(kuò)頻 調(diào)制。所以，GPS接收機(jī)需要完成解擴(kuò)和解調(diào)的操作后，獲得衛(wèi)星星歷和偽距解算出接收 機(jī)坐標(biāo)。
GPS接收機(jī)的熱啟動(dòng)開機(jī)過程，是在接收機(jī)概略位置、衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星歷書均有效的 基礎(chǔ)上，多個(gè)通道并行進(jìn)行基帶信號(hào)處理，計(jì)算出多個(gè)衛(wèi)星坐標(biāo)和偽距，從而實(shí)現(xiàn)首次 定位解算。在已有的方案中，通常每個(gè)通道都需要包括捕獲(載波和C/A碼)、比特同 步、跟蹤、子幀同步等主要基帶信號(hào)處理環(huán)節(jié)，才能獲得精確跟蹤狀態(tài)下的衛(wèi)星信號(hào)的 發(fā)射時(shí)刻。有了精確的衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻，就能獲得衛(wèi)星坐標(biāo)和偽距，完成定位。按 照上述過程，常規(guī)熱啟動(dòng)方案的最長時(shí)間為8s，平均時(shí)間為5s。其中，子幀同步所占用 的時(shí)間最長為6s，平均為3s，在整個(gè)開機(jī)時(shí)間中所占比重最大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有GPS熱啟動(dòng)過程時(shí)間較長的缺陷，提供一種GPS快速 熱啟動(dòng)方法，用于GPS接收機(jī)中熱啟動(dòng)模式下，加快接收機(jī)熱啟動(dòng)的首次定位速度，以 實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的快速定位。其發(fā)明點(diǎn)在于考慮到滿足用戶對(duì)接收機(jī)首次開機(jī)時(shí)間性能要求， 充分利用同樣具有時(shí)間信息的本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC輔助熱啟動(dòng)開機(jī)，不必等待基帶子 幀同步過程，計(jì)算衛(wèi)星在軌位置和偽距，通過最小二乘法解算接收機(jī)位置，完成快速定 位，以縮短首次定位時(shí)間。因?yàn)樽訋竭^程，實(shí)際上是為了更新衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻的歷元 時(shí)間信息。
本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 一種GPS快速熱啟動(dòng)方法，設(shè)有包括信號(hào) 捕獲、比特同步、跟蹤、子幀同步過程，其特征是接收機(jī)熱啟動(dòng)開機(jī)后，首先從本地 實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC讀出當(dāng)前的時(shí)間，判斷上次關(guān)機(jī)時(shí)存儲(chǔ)的星歷和歷書信息是否過期， 如果星歷和歷書信息有效，并且也存有上次關(guān)機(jī)時(shí)刻的接收機(jī)坐標(biāo)，那么就符合熱啟動(dòng) 的條件，進(jìn)入熱啟動(dòng)的基帶信號(hào)處理環(huán)節(jié)；捕獲狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行擴(kuò)頻碼一載波頻率的二維 捕獲，將本地C/A碼與接收到的碼流基本對(duì)齊，偏差在0.5碼片以內(nèi)，載波頻率與接收 到的載波頻率相差不超過100Hz， 一旦捕獲到信號(hào)后，即進(jìn)行比特同步，以發(fā)現(xiàn)20ras的 電文比特邊界， 一旦完成，將進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，使得本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器和本地載波發(fā)生器 實(shí)時(shí)"跟蹤"接收到的GPS碼信號(hào)和載波信號(hào)。跟蹤衛(wèi)星信號(hào)之前，接收機(jī)先完成了比 特同步，即完成了對(duì)20ms數(shù)據(jù)邊界的判定，獲得了衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻20ms以內(nèi)的時(shí)間精度。使用本地RTC，基于接收機(jī)和衛(wèi)星概率距離，判定衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻20ms以上的時(shí)間精度，
那么就能夠不需要等待子幀同步，完成首次的快速定位。
本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元，是一個(gè)記錄并實(shí)時(shí)更新本地時(shí)間的數(shù)字電路模塊。在上次關(guān)機(jī)時(shí)
刻，根據(jù)最后一次的定位結(jié)果求出本地時(shí)間的偏差，校準(zhǔn)本地時(shí)間；當(dāng)熱啟動(dòng)開機(jī)后， 根據(jù)讀出的時(shí)間信息，判斷熱啟動(dòng)條件，同時(shí)輔助進(jìn)行首次定位解算。
在穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)下，根據(jù)本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元的時(shí)間信息及有效的衛(wèi)星星歷獲得衛(wèi)星的 概略位置和20ms以內(nèi)的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間，獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻；獲得衛(wèi)星信號(hào)發(fā) 射時(shí)刻后，重新計(jì)算準(zhǔn)確的衛(wèi)星坐標(biāo)和衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距；當(dāng)接收機(jī)獲得至少4顆以 上衛(wèi)星的坐標(biāo)和衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距時(shí)，通過最小二乘法解算接收機(jī)的坐標(biāo)，完成首次 熱啟動(dòng)定位；重復(fù)上述過程，間隔一定時(shí)間后，進(jìn)行下一次的解算。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及顯著效果本設(shè)計(jì)采用本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元輔助熱啟動(dòng)開機(jī)，不必等待 完成基帶子幀同步過程，直接進(jìn)入定位解算環(huán)節(jié)，計(jì)算衛(wèi)星在軌位置和偽距，通過最小 二乘法解算接收機(jī)位置，完成快速定位。實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間的準(zhǔn)確估計(jì)，并提供了失 效檢測(cè)的方案，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。


圖1是GPS系統(tǒng)模型圖2是GPS接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3是多通道基帶信號(hào)處理引擎的工作鏈路；
圖4是快速熱啟動(dòng)的接收機(jī)工作流程圖5是快速熱啟動(dòng)的失效檢測(cè)流程圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖l，所示為GPS系統(tǒng)模型圖，其中包含地面GPS接收機(jī)lOl、接收機(jī)到衛(wèi)星 的偽距102、發(fā)射時(shí)刻的GPS衛(wèi)星103、接收時(shí)刻的衛(wèi)星104。主要過程是，GPS信號(hào)經(jīng) 過天線發(fā)射，穿越大氣層，存在散射，折射等影響，到達(dá)接收機(jī)天線。由于存在星鐘偏 差、相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星間群延遲、電離層延遲、對(duì)流層延遲等，造成了接收機(jī)擴(kuò)頻碼測(cè) 量的距離，存在了延遲。接收機(jī)所測(cè)定的距離，不光含有衛(wèi)星與接收機(jī)的視線距離，還 加含了各種延遲所造成的距離，稱為"偽距"。
其中，接收機(jī)進(jìn)入到跟蹤狀態(tài)后，擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán)能夠準(zhǔn)確跟蹤GPS信號(hào)。熱啟動(dòng)過程 中，通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元的輔助，能夠獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻。于是根據(jù)有效的星歷和 衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間信息，計(jì)算出至少4顆以上衛(wèi)星的偽距和衛(wèi)星坐標(biāo)，這樣，就可以通過最 小二乘法結(jié)算出接收機(jī)的坐標(biāo)。
圖2是GPS接收機(jī)整機(jī)高層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其中包含天線、低噪聲放大器、射頻模 塊、TCXO時(shí)時(shí)鐘源、基帶信號(hào)處理引擎、定位解算、人機(jī)界面、電源等等。信號(hào)從天線 端接收，先經(jīng)過低噪聲放大器，以減小噪聲的干擾，接著是射頻模組。射頻模組的主要 功能，是信號(hào)的載波頻率由Ll頻段二1575.42MHz下變頻到中頻附近，并加以帶通濾波器 減小帶外噪聲干擾。典型情況下，需要通過兩級(jí)下變頻電路，變至中頻。本地振蕩器是根據(jù)接收機(jī)設(shè)計(jì)方案中的頻率方案由基準(zhǔn)振蕩器經(jīng)頻率合成器導(dǎo)出的?；祛l過程之后， 保留了載波多普勒和擴(kuò)頻碼，只是載波頻率降低了。通過后續(xù)的基帶信號(hào)處理過程，進(jìn) 行擴(kuò)頻碼和載波頻率的二維捕獲，之后跟蹤上衛(wèi)星信號(hào)，從中正確、連續(xù)解調(diào)出導(dǎo)航電 文，用于定位解算。定位后，通過NMEA協(xié)議與上位機(jī)通訊，通過人機(jī)界面，加載地圖數(shù) 據(jù)庫信息，進(jìn)行導(dǎo)航定位等。
快速熱啟動(dòng)方案，主要集中在基帶信號(hào)處理環(huán)節(jié)展開?；鶐盘?hào)處理環(huán)節(jié)中，處于跟 蹤狀態(tài)下，20ms以內(nèi)的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻信息已經(jīng)獲知。快速熱啟動(dòng)不再等待子幀同步，在 跟蹤狀態(tài)下，直接利用本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元獲得概略衛(wèi)星位置后計(jì)算出20ms以上的衛(wèi)星發(fā) 射時(shí)刻信息。這樣，就計(jì)算出精確的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻。
圖3是多通道基帶信號(hào)處理引擎的工作鏈路圖，數(shù)字中頻信號(hào)來源于射頻采樣信號(hào)， 主要過程包括有捕獲、比特同步、跟蹤、RTC輔助計(jì)算衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻和解算接收機(jī)坐標(biāo)等 環(huán)節(jié)。
GPS捕獲，又稱為粗同步，是使本地參考擴(kuò)頻碼與接收到的碼相位之差小于半個(gè)碼片， 同時(shí)本地載波振蕩器的輸出頻率精確到使解擴(kuò)后的信號(hào)頻譜在中頻濾波器的通帶之類， 保證解調(diào)器正常工作。在GPS系統(tǒng)中，信號(hào)捕獲是一個(gè)搜索過程。這一搜索過程和跟蹤 過程相類似，為了捕獲衛(wèi)星信號(hào)，需要同時(shí)復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的碼和載波，即成功的信號(hào)匹配是 二維的
接收機(jī)初始工作時(shí)，由于本地C/A碼發(fā)生器與接收到的碼流沒有對(duì)齊，同時(shí)，載波頻 率也由于存在多普勒效應(yīng)的影響，那么需要捕獲過程，進(jìn)行擴(kuò)頻碼一載波頻率的二維捕 獲。捕獲的結(jié)果，往往是本地碼與接收到的碼偏差在0.5碼片內(nèi)，載波頻率與接收到的 載波頻率相差不超過100Hz。 一旦捕獲到信號(hào)后，接下來的工作，就是比特同步過程。每 比特的電文，周期為20ms，所以必須找出比特邊界；找到比特邊界后，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)， 碼相位和載波頻率進(jìn)一步對(duì)準(zhǔn)。跟蹤狀態(tài)下，有了實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC的輔助，可以開始 首次解算過程。
實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC的輔助，并不代表著省去子幀同步過程。隨著時(shí)間的推移，本地時(shí) 間的準(zhǔn)確性將隨之降低，這樣計(jì)算出的概略偽距和衛(wèi)星時(shí)間都將不再準(zhǔn)確，所以仍然需 要子幀同步，獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星發(fā)射歷元信息。只不過，需要RTC輔助開機(jī)后的若干次定 位，達(dá)到快速的目的。
圖4是快速熱啟動(dòng)的接收機(jī)工作流程圖，主要包括了開機(jī)后判斷熱啟動(dòng)過程、基帶過 程(捕獲、比特同步、跟蹤)、RTC輔助、偽距和衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算、定位計(jì)算。上電開機(jī)， 從Flash Rom等非易失性存儲(chǔ)器中，讀出關(guān)機(jī)時(shí)的接收機(jī)位置、衛(wèi)星星歷和歷書有效性， 判斷其有效性，進(jìn)入快速熱啟動(dòng)。
接收機(jī)熱啟動(dòng)開機(jī)，由本地RTC保持著目前相對(duì)準(zhǔn)確的時(shí)間信息，此時(shí)從RTC讀出的 時(shí)間為f^:。衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)送到接收機(jī)的時(shí)間在60ms到90ms左右，那么在快速熱啟 動(dòng)過程中，可以認(rèn)為此時(shí)的觀測(cè)時(shí)刻,=^^。衛(wèi)星坐標(biāo)的求解過程可以抽象為一個(gè)函數(shù) 名為Sat_Pos—Calculate的函數(shù)。函數(shù)的輸入變量是(、五)，,是指觀測(cè)時(shí)刻歷元，E是指衛(wèi)星的星歷參數(shù)。將(~rc，￡)帶入到Sat—Pos—Calculate函數(shù)中。這時(shí)，獲得開 機(jī)某一顆衛(wèi)星的概略位置(《,義,？,)。
衛(wèi)星i的發(fā)射時(shí)刻可以認(rèn)為由20ms以上時(shí)間信息量^,—2Qm—,和20ms以內(nèi)時(shí)間信息 量^w，m—,共同決定。進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，已經(jīng)找到比特邊界，所以獲得了20ms以內(nèi)時(shí) 間信息量 衛(wèi)星i的發(fā)射時(shí)刻，可以表示為
設(shè)定本地時(shí)鐘偏差^不超過iOms。由于概略衛(wèi)星i坐標(biāo)(《j,，s;.)和本地用戶的概
略位置(&,A,S)已知，估算出衛(wèi)星i到接收機(jī)的幾何距離:
A = —《)2 +—義)2 +-《)2因此，使用估算出的衛(wèi)星到接收機(jī)幾何距離，
可以計(jì)算出20ms以上時(shí)間信息量^,,,:
,=",草艦-s/c-ic^-,—i)/2(M這樣，得到了衛(wèi)星i的發(fā)射時(shí)刻r,。
采用這種快速熱啟動(dòng)方法獲得衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間的衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到四顆及其以上 時(shí)，接收機(jī)將能夠順利進(jìn)入到解算用戶坐標(biāo)的環(huán)節(jié)，即最小二乘法解算過程。
圖5是快速熱啟動(dòng)的失效檢測(cè)流程圖。在圖4快速熱啟動(dòng)原理圖中，對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單 元提供的本地時(shí)間具有時(shí)間精度限制，本地鐘差的大小如果大于10ms則判定快速熱啟動(dòng) 失敗。原理在于，如果本地鐘差大于10ms，那么上述方法計(jì)算出的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻，有20ms 的不確定度，僅僅依靠^^。m,無法唯一確定；此外，如果本地時(shí)間的偏差過大，衛(wèi)星 的概略位置在估計(jì)過程中誤差太大，造成的概略偽距不準(zhǔn)確，同樣會(huì)導(dǎo)致無法獲得正確 的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻。因此，首次定位結(jié)果計(jì)算出后，如果判斷本地時(shí)間偏差大于10ms， 判定快速熱啟動(dòng)失敗。反之，則判定成功定位。
權(quán)利要求
1、一種GPS快速熱啟動(dòng)方法，設(shè)有包括信號(hào)捕獲、比特同步、跟蹤、子幀同步過程，其特征是接收機(jī)熱啟動(dòng)開機(jī)后，首先從本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC讀出當(dāng)前的時(shí)間，判斷上次關(guān)機(jī)時(shí)存儲(chǔ)的星歷和歷書信息是否過期，如果星歷和歷書信息有效，并且也存有上次關(guān)機(jī)時(shí)刻的接收機(jī)坐標(biāo)，那么就符合熱啟動(dòng)的條件，進(jìn)入熱啟動(dòng)的基帶信號(hào)處理環(huán)節(jié)；捕獲狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行擴(kuò)頻碼一載波頻率的二維捕獲，將本地C/A碼與接收到的碼流基本對(duì)齊，偏差在0.5碼片以內(nèi)，載波頻率與接收到的載波頻率相差不超過100Hz，一旦捕獲到信號(hào)后，即進(jìn)行比特同步，以發(fā)現(xiàn)20ms的電文比特邊界，一旦完成，將進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，使得本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器和本地載波發(fā)生器實(shí)時(shí)“跟蹤”接收到的GPS碼信號(hào)和載波信號(hào)，完成首次的快速定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS快速熱啟動(dòng)方法，其特征是穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)下，根據(jù) 本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元的時(shí)間信息及有效的衛(wèi)星星歷獲得衛(wèi)星的概略位置和20ms以內(nèi)的衛(wèi)星 發(fā)射時(shí)間，獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻；獲得衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻后，重新計(jì)算準(zhǔn)確的衛(wèi) 星坐標(biāo)和衛(wèi)星到接收機(jī)的偽距；當(dāng)接收機(jī)獲得至少4顆以上衛(wèi)星的坐標(biāo)和衛(wèi)星到接收機(jī)的 偽距時(shí)，通過最小二乘法解算接收機(jī)的坐標(biāo)，完成首次熱啟動(dòng)定位；重復(fù)上述過程，間隔 一定時(shí)間后，進(jìn)行下一次的解算。
全文摘要
一種GPS快速熱啟動(dòng)方法，接收機(jī)熱啟動(dòng)開機(jī)后，利用本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元RTC(Real Time Clock)的輔助，捕獲狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行擴(kuò)頻碼-載波頻率的二維捕獲，將本地C/A碼與接收到的碼流基本對(duì)齊，偏差在0.5碼片以內(nèi)，載波頻率與接收到的載波頻率相差不超過100Hz，一旦捕獲到信號(hào)后，即進(jìn)行比特同步，以發(fā)現(xiàn)20ms的電文比特邊界，一旦完成，將進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，使得本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器和本地載波發(fā)生器實(shí)時(shí)“跟蹤”接收到的GPS碼信號(hào)和載波信號(hào)，完成首次的快速定位，不必等待完成基帶子幀同步過程，直接進(jìn)入定位解算環(huán)節(jié)，計(jì)算衛(wèi)星在軌位置和偽距，通過最小二乘法解算接收機(jī)位置，完成快速定位。本方法還通過熱啟動(dòng)失效檢測(cè)機(jī)制來保證該方法的有效性。
文檔編號(hào)G01S1/00GK101526598SQ20091002962
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者劉新寧, 時(shí)龍興, 軍 楊, 奮 秦 申請(qǐng)人:東南大學(xué)