Устройство и способы скоростного обнаружения сигналов gps

Устройство и способы скоростного обнаружения сигналов gps

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящая заявка относится к устройству и способам вычисления местоположения мобильного устройства при помощи радиосигналов, например, систем GPS.

Уровень техники

Устройства определения местоположения становятся все более и более популярными. Это способствует развитию скоростных высокочувствительных способов обнаружения сигналов, используемых для определения местоположения.

Технологии определения местоположения обычно используют для определения положения радиосигналы, одновременно передающиеся из известных местоположений. В системах GPS эти сигналы одновременно передаются с нескольких спутников за известное время и на предопределенной частоте. На земле приемник GPS обнаруживает сигнал от каждого спутника в пределах его поля зрения. Времена прибытия сигналов, наряду с точным местоположением в поле зрения спутников, и точное время сигналов, передающихся от каждого спутника, используются для определения местоположения приемника GPS с помощью вычисления трилатерации.

Обнаружение сигналов со спутников GPS может быть затруднено из-за множества факторов. Например, сигналы GPS передают с относительно малой мощностью и с большого расстояния. Во время прохождения сигналов GPS с земной орбиты на приемник их изначально малая мощность сильно уменьшается, предоставляя чрезвычайно слабый сигнал приемнику. Уровни принимаемого сигнала могут быть дополнительно ослаблены посредством эффектов затенения зданиями, например, во время приема в помещении или приема в условиях городской застройки.

Существуют две основные функции приемника GPS: (1) вычисление псевдодальностей до различных спутников GPS и (2) вычисление местоположения приемника GPS, используя эти псевдодальности, спутниковую синхронизацию и эфемеридные данные (о местоположении). Псевдодальности относятся к временам задержки (или эквивалентно расстояниям) между спутниками и приемником GPS, измеренным по смещению часов местного времени. В обычных автономных приемниках GPS, эфемериды спутников и время передачи данных извлекаются из сигнала GPS после того, как он был обнаружен и отслежен. Сбор этой информации обычно занимает относительно долгое время (от 30 секунд до нескольких минут) и должен быть выполнен с хорошим уровнем принимаемого сигнала для достижения низких коэффициентов ошибок.

Фактически все известные приемники GPS используют способы корреляции или их математические эквиваленты для вычисления псевдодальностей. Эти способы корреляции выполняются в реальном масштабе времени, зачастую при помощи аппаратных корреляторов. Сигналы GPS содержат сигналы с высокой скоростью повторения, которые модулированы в соответствии со специальными последовательностями или «кодами», называемыми псевдослучайными (PN) последовательностями. Коды, доступные для гражданских приложений, называют кодами C/A и используются для обеспечения скорости бинарного опрокидывания фазы или «скорости передачи элементов сигнала», равной 1,023 МГц, и периода повторения 1023 элементов сигнала за период кода, равный 1 мс. Псевдослучайные последовательности в системе GPS принадлежат семейству, известному как «Золотые коды». Каждый спутник GPS передает сигнал с уникальным Золотым кодом.

Для краткости, в нижеследующем обсуждении мы можем использовать терминологию - сигнал «содержит псевдослучайную последовательность» (или код), посредством которой мы подразумеваем, что он содержит колебательный сигнал, который модулирован в соответствии с псевдослучайной последовательностью или кодом. Длина кадра псевдослучайной последовательности представляет собой количество символов последовательности до ее повторения. Под длительностью (во времени) псевдослучайной последовательности мы подразумеваем, что длительность колебательного сигнала модулирована в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Подобным образом, когда мы говорим «скорость передачи кадров псевдослучайной последовательности», мы подразумеваем скорость повторения колебательного сигнала, модулированного в соответствии с псевдослучайной последовательностью. Из контекста должно быть понятно, относится ли термин «псевдослучайная последовательность» к последовательности чисел или колебательному сигналу, модулированному согласно такой последовательности чисел.

После того, как сигнал был принят от определенного спутника GPS, вслед за процессом преобразования с понижением частоты до основной полосы, сигнал коррелируется с опорным сигналом. Например, простой корреляционный приемник умножает принятый сигнал на локально сформированный опорный сигнал, содержащий сохраненный повтор соответствующего Золотого кода, содержащийся в его локальной памяти, а затем интегрирует (например, выполняет фильтрацию нижних частот) результат для того, чтобы получить индикацию присутствия сигнала.

Процесс простой индивидуальной корреляции может привести к одному числу (возможно комплексному). Однако во многих, представляющих интерес, случаях вычисляется множество таких чисел в соответствии с разными опорными последовательностями (например, версии с задержкой), последовательно или параллельно, посредством выполнения подобных операций. Такой набор чисел упоминается в настоящем описании как «корреляционная серия». Конечный результат объединения одной или нескольких последовательных корреляционных серий называется «конечная корреляционная серия».

Посредством последовательной регулировки относительной синхронизации этой сохраненной реплики, относящейся к принятому сигналу, и отслеживая за возникновением высокой мощности в полученной конечной корреляционной серии, простой приемник может определить время задержки между принятым сигналом и часами местного времени. Это время задержки, взятое по модулю периода кода, равного одной миллисекунде, называют «сдвигом кода». К сожалению, процесс обнаружения корреляции требует больших затрат времени, в особенности, если принимаемые сигналы слабы. Для улучшения времени обнаружения большинство обычных приемников GPS используют разнообразные корреляторы (обычно до 12), которые позволяют параллельно производить поиск корреляционных пиков.

Некоторые приемники GPS используют способы быстрого преобразования Фурье (FFT) для определения доплеровской частоты принимаемого сигнала GPS. Эти приемники используют обычные операции корреляции для сужения спектра сигнала GPS и предоставляют узкополосный сигнал с шириной спектра, обычно находящейся в диапазоне от 10 до 30 КГц. Затем полученный узкополосный сигнал анализируется с помощью Фурье-анализа, используя алгоритмы быстрого преобразования Фурье (FFT) для определения несущей частоты. Определение такой несущей одновременно обеспечивает индикацию того, что локальная опорная PN откорректирована с правильным сдвигом кода принимаемого сигнала и обеспечивает точное измерение несущей частоты. Затем эта частота может быть использована в последующей операции отслеживания приемников.

Например, один способ определения местоположения использует алгоритм быстрого преобразования Фурье (FFT) для вычисления псевдодальности в местоположении централизованной обработки данных, а не в мобильном блоке. Согласно этому способу снимок данных собирается посредством приемника GPS, а затем передается по каналу передачи данных на удаленный приемник, в котором он подвергается обработке быстрым преобразованием Фурье (FFT) для вычисления конечной корреляционной серии. Однако для выполнения набора корреляций обычно вычисляется только единственное прямое и обратное быстрое преобразование Фурье (соответствующее четырем периодам (интервалам) PN).

Другой метод использует способы быстрого преобразования Фурье для обнаружения сигналов GPS и включает в себя оцифровку, сохранение и обработку длинного блока необработанных данных. Например, данные, соответствующие одному вторичному интервалу, могут быть оцифрованы, а затем локально обработаны, используя способ обработки сигналов, основанный на быстром преобразовании Фурье (FFT), для обнаружения сигналов GPS, присутствующих в этом захваченном блоке данных. В этом способе выполняется множество операций быстрого преобразования Фурье (FFT), каждое формирование корреляционной серии и результаты подвергаются и когерентной и некогерентной операциям по обработке для формирования конечной корреляционной серии.

К сожалению, метод обнаружения сигнала GPS в таких системах становится менее эффективным при выполнении длительного когерентного интегрирования, например, превышающего период одного бита данных (например, 20 кадров GPS, который равен 20 миллисекундам). Потеря эффективности является особенно большой, когда неточность несущей частоты GPS является большой. Кроме того, в широко распространенных радиоприемных системах GPS когерентное интегрирование за периоды, превышающие один бит данных, требует, чтобы приемнику GPS априори была известна последовательность битов. Поэтому когерентное интегрирование обычно выполняется за периоды, превышающие один бит данных, посредством передачи такой информации от сервера к мобильной станции. Этот общий метод был стандартизирован в нескольких стандартах сотовой связи, включая IS-95, CDMA2000, GSM и UMTS.

Другие предшествующие методы когерентной обработки могут быть применимы, когда (1) требуется длительное когерентное интегрирование, (2) требуется поиск по широкому диапазону доплеровской частоты (3), должен быть выполнен поиск сдвига кода по всем 1023 элементам сигнала каждого сигнала GPS, который будет обработан. Однако такие предшествующие методы, имеют множество ограничений и помех. Например, эти алгоритмы могут требовать обработки данных в виде двумерного массива, а также ограничивать величину, по которой может быть эффективно выполнен поиск доплеровского сдвига по частоте.

Раскрытие изобретения

Описаны способ и устройство для приема и обработки одного или нескольких сигналов, передающихся от множества передатчиков на предопределенных частотах. Каждый из передающихся сигналов включает в себя колебательный сигнал, закодированный согласно периодически повторяющейся последовательности, которая уникально идентифицирует передатчик, который отослал каждый соответствующий сигнал. Принимаемые сигналы используются в определении местоположения приемника. Передатчики могут включать в себя множество спутников GPS, которые передают сигналы GPS на частоте GPS, каждый спутник GPS, передающий колебательный сигнал, закодированный согласно уникальной периодически повторяющейся последовательности. Смещение сдвига кода сигнала находится в приемнике, и при использовании этой информации от нескольких передатчиков может быть установлено местоположение приемника с помощью алгоритмов GPS.

Более высокая чувствительность и более высокая скорость обработки могут быть достигнуты посредством выполнения операций быстрого преобразования Фурье (FFT) на данных наблюдения; совместно с операциями быстрого преобразования Фурье (FFT) используются специальные операции сокращения, основанные на гипотетической остаточной ошибке по частоте для сокращения общего количества вычислений и, следовательно, сокращения времени обработки.

В частности, в приемнике сигнал регистрируется и оцифровывается на предопределенной частоте за предопределенный период времени, соответствующий, по меньшей мере, двум повторам периодически повторяющихся последовательностей (двум кадрам). Один из множества передатчиков является гипотетическим и обеспечивается набор выборок опорной частоты, соответствующий гипотетическому передатчику. Первое подмножество оцифрованных данных выбирается из длительности, по меньшей мере, равной двум кадрам, таким образом, определяя блок данных. Затем из этого блока вычисляется набор выборок частоты данных, например, посредством использования методик преобразования Фурье.

Первая остаточная частота является гипотетической, а затем выборки частоты данных сокращаются, в зависимости от гипотетической первой остаточной частоты, для обеспечения периодически разнесенного первого подмножества выборок частоты данных. Затем обрабатывается первое подмножество выборок частоты данных и выборок опорной частоты (обычно с умножением и процедурой обратного быстрого преобразования Фурье (FFT)) для обеспечения первой серии данных корреляции.

Затем эта процедура может быть повторена на дополнительных блоках данных (обычно непрерывных), и множество подобно найденных корреляционных серий могут быть совместно обнаружены и добавлены для формирования конечной корреляционной серии. Затем в этой последней серии выполняют поиск для идентификации соответствия сигнала, обычно посредством поиска сильного пика в конечной корреляционной серии. Если соответствующий сигнал найден, то смещение сдвига кода определяется из конечной серии данных корреляции; однако, если соответствующий сигнал не найден, то другая остаточная частота может быть гипотетической, а затем процесс повторяется, обычно используя аналогичные наборы выборок частоты данных и выборок опорной частоты, для поиска соответствия сигнала. Подобная обработка выполняется до нахождения соответствия сигнала или до того, пока не будут выдвинуты гипотезы об остаточных частотах без соответствия гипотезы о том, что сигнал от гипотетического передатчика не может быть обнаружен.

Как правило, существует множество передатчиков, которые могут находиться в поле зрения приемника, и этот процесс может быть повторен для каждого из этих передатчиков для идентификации сигналов и, если возможно, определения смещения сдвига кода от каждого передатчика.

Могут быть выполнены множество других вариантов осуществления. В одном варианте осуществления этап сокращения дополнительно содержит этап выбора подмножества выборок частоты данных, причем подмножество включает в себя множество выборок, имеющих индексы, размещенные с интервалами относительно друг друга посредством целого числа K, причем К представляет собой число кадров последовательности PN в блоке данных.

Следует отметить, что в данном документе мы иногда используем терминологию «последовательность PN» или «кадр PN» для F(t), повторяющегося набора кадров последовательности PN, что не является строго правильным, поскольку последовательность PN фактически является последовательностью чисел, которая используется для формирования модулирующего сигнала несущей, таким образом образуя колебательный сигнал F(t). Однако из контекста должно быть ясно, используется ли «последовательность PN» для обозначения того, что колебательный сигнал модулирован посредством последовательности PN F(t) или непосредственно последовательности.

В другом варианте осуществления способ дополнительно содержит этап умножения подмножества выборок частоты данных на набор выборок опорной частоты для формирования набора взвешенных выборок частоты.

Выборки опорной частоты получают с помощью любого подходящего способа, например, приемник может выполнить операцию дискретного преобразования Фурье (DFT) за один или несколько периодов периодически повторяющихся последовательностей для определения выборок опорной частоты, причем выборки опорной частоты могут быть предварительно вычислены для каждого передатчика и сохранены в приемнике, или же выборки опорной частоты могут быть загружены с описанного в данном документе сервера, например, PDE.

Этап выполнения операции корреляции может включать в себя этап выполнения обратного дискретного преобразования Фурье с набором взвешенных выборок частоты для формирования серии данных корреляции.

Каждый блок данных может иметь размер, который соответствует целому числу повторов периодически повторяющихся последовательностей, равному 2 или более, например, 5, 10, 20 или более. Блок данных в некоторых вариантах осуществления может иметь размер, находящийся в пределах диапазона приблизительно 5-20 повторов периодически повторяющихся последовательностей. В других вариантах осуществления блок данных может иметь размер порядка 100 таких повторов.

Вышеупомянутый способ может быть осуществлен в подходящих аппаратных средствах, и/или программном обеспечении в приемнике, и/или на одном или нескольких серверах в беспроводной сети. Например, некоторые функции могут быть осуществлены в приемнике, а некоторые функции могут быть осуществлены в логическом объекте определения местоположения (PDE).

Раскрытые в данном документе устройство и способ особенно полезны для вспомогательных систем GPS («A-GPS»), в которых не синхронизирована система связи, обеспечивающая вспомогательной информацией приемник GPS, как в случае со стандартами сотовой связи GSM и UMTS. Несмотря на то, что в синхронизированных системах связи, например, стандарта CDMA2000, требования, наложенные на поиск сдвига кода, очень ослаблены, все еще существует выгода от использования обсуждаемых здесь улучшенных алгоритмов.

Краткое описание чертежей

Далее сделана ссылка на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:

Фиг.1 - перспективный вид системы связи и определения местоположения, которая включает в себя спутники, испускающие сигналы GPS, которые принимаются приемником GPS в мобильной станции, которые взаимодействуют с множеством базовых станций;

Фиг.2 - блок-схема одного варианта осуществления мобильной станции, включающей в себя приемник GPS и сотовую систему связи;

Фиг.3 - блок-схема, которая иллюстрирует описанный в данном документе процесс когерентного интегрирования;

Фиг.4 - блок-схема, которая иллюстрирует структуру и компоненты колебательного сигнала теоретического сигнала GPS;

Фиг.5 - диаграмма, которая изображает спектр мощности в качестве функции частоты сигнала GPS (Золотой код #1 в этом примере), повторенной 20 раз, и с остаточной несущей частотой f_e=0;

Фиг.6 - диаграмма, подобная изображенной на Фиг.5, изображающей спектр мощности в качестве функции частоты сигнала GPS (Золотой код #1 в этом примере), повторенной 20 раз, но с остаточной несущей частотой, приблизительно равной 4,5 кГц;

Фиг.7 - диаграмма одного примера результатов операции по фильтрации соответствия, изображающая амплитуду в качестве функции частоты;

Фиг.8A, 8B и 8C - набор диаграмм, сравнивающих результаты операций по согласованной фильтрации для отличия гипотез доплеровской частоты;

Фиг.9 - диаграмма, которая изображает набор частоты данных, который представляет частотный спектр, типичный для фактических данных; и

Фиг.10 - таблица, которая изображает подмножества выборок частоты данных, соответствующие смещениям гипотетической частоты, иллюстрирующие способ, как определяются подмножества для частотной селекции гипотетической остаточной частоты.

Фиг.11 - блок-схема, которая иллюстрирует обработку, включающую в себя объединение результатов множества процессов когерентного интегрирования.

На различных фигурах одинаковые ссылочные номера обозначают одинаковые или аналогичные части.

Осуществление изобретения

Фиг.1 иллюстрирует среду GPS, которая включает в себя множество спутников 11 GPS (SV). Несмотря на то, что среда GPS уже описана, система, описанная в данном документе, может быть осуществлена в любой системе определения местоположения (позиционирования). Спутники 11 испускают сигналы 12 GPS, которые принимаются множеством наземных базовых станций 10, которые являются частью сети связи, и мобильной станцией (MS) 14, взаимодействующей с базовыми станциями. Мобильная станция 14 (MS) включают в себя приемник GPS и систему двухсторонней связи для связи с базовыми станциями, используя сигналы 20 двухсторонней связи. Приемник GPS может быть осуществлен в широком разнообразии вариантов осуществления мобильных (станций) (исключая сотовые телефоны), которые сообщаются с одной или несколькими базовыми станциями. Пользователь 13, владеющий мобильной станцией (MS) 14, которая может быть помещена в широкое разнообразие сред, может быть неподвижным или находиться в движении.

Спутники 11 GPS (SV) включают в себя группу спутников, передающих сигналы, которые используются для определения местоположения приемника GPS. Спутники синхронизируются для отсылки радиосигналов 12, фазированных ко времени GPS. Эти сигналы формируются на предопределенной частоте и в предопределенном формате. В текущем осуществлении GPS каждый спутник (SV) передает гражданский тип сигнала GPS на полосе частот L1 (на 1575,42 МГц), отформатированный в соответствии со стандартами GPS. При обнаружении сигналов GPS посредством обычного приемника GPS в мобильной станции (MS) система GPS вычисляет псевдодальности для каждого из спутников GPS, из которых может быть вычислено местоположение мобильной станции (MS).

Псевдодальность определяется как: с·(T_user-T_sv)+cT_bias, где с - скорость света, T_user - время GPS, когда сигнал был принят от данного спутника (SV), T_sv - время GPS, когда спутник передал сигнал, а T_bias - ошибка в часах местного времени пользователя, обычно присутствующих в приемнике GPS. Иногда псевдодальность определяется с пропуском константы «c». В общем случае приемник должен решить четыре неизвестные: X, Y, Z (координаты антенны приемника) и T_bias. Решение этих четырех неизвестных обычно требует измерений от четырех других спутников (SV); однако, при определенных обстоятельствах, это ограничение может быть ослаблено. Например, если доступна точная оценка высоты, то количество необходимых спутников (SV) может быть сокращено с четырех до трех. В процессе работы A-GPS

T_sv не обязательно доступен приемнику, и вместо обработки истинных псевдодальностей приемник полагается прежде всего на сдвиги кода. В текущем осуществлении GPS сдвиги кода имеют погрешности измерения времени, равные одной миллисекунде, так как коды PN повторяются каждую миллисекунду. Иногда могут быть установлены границы бита данных, таким образом производя только погрешности измерения времени, равные 20 миллисекундам.

Базовые станции 10 содержат любую коллекцию базовых станций, используемых в качестве части сети связи, которая сообщается с мобильной станцией (MS) 14, используя радиосигналы 20. Базовые станции связаны с инфраструктурой сотовой сети 15, которая предоставляет услуги связи с множеством других сетей связи, таких как телефонная система (сеть) 16 общего пользования, вычислительные сети 17, например, Интернет, логический объект 18 определения местоположения (PDE) и разнообразие других систем связи, которые совместно показаны в блоке 17a. Опорный приемник GPS (или приемники) 19, который может находиться внутри или около базовых станций 10, или в любом другом подходящем местоположении, сообщается с PDE 18 для обеспечения полезной информацией в определении местоположения, например, информацией о местоположении спутника (SV) (эфемериды).

Наземная инфраструктура сотовой сети 15 обычно предоставляет услуги связи, которые позволяют пользователю сотового телефона соединяться с другим телефоном по телефонной системе 16 общего пользования. Однако базовые станции также могут быть использованы для соединения с другими устройствами и/или для других целей связи, например, для Интернет-подключения с портативным «карманным» компьютером (PDA). Например, базовые станции 10 могут быть частью сети связи GSM, однако они также могут быть использованы в других типах сетей связи синхронной (например, CDMA2000) или асинхронной передачи.

Фиг.2 - блок-схема одного варианта осуществления мобильного устройства 14, соединенного с системой связи и определения местоположения. Система 22 двухсторонней связи, например сотовая система связи, связана с антенной 21, которая обменивается информацией, используя сигналы 20 сотовой связи. Сотовая система 22 связи может включать в себя подходящие устройства, например, модем 23, аппаратные средства и программное обеспечение для сообщения с и/или сигналами 20 обнаружения от базовых станций и обработки переданной или принятой информации.

Система 27 определения местоположения GPS в мобильной станции (MS) соединена с антенной 28 GPS для приема сигналов 12 GPS, которые передаются на идеальной частоте GPS или близкой к ней. Система 27 GPS содержит приемник 29 GPS, который включает в себя схему смещения частоты и аналого-цифровой преобразователь, часы GPS, логику управления для управления желаемыми функциями приемника GPS, и подходящие аппаратные и программные средства для приема и обработки сигналов GPS и для выполнения вычислений, необходимых для определения местоположения, использующих подходящий алгоритм определения местоположения. В иллюстрированном варианте осуществления, в системе определения местоположения аналого-цифровой преобразователь соединен с буферной памятью, а буферная память соединена со схемой дискретного преобразования Фурье (DFT) для обеспечения и сохранения данных в течение операции дискретного преобразования Фурье (DFT). В некоторых осуществлениях A-GPS конечные вычисления определения местоположения (например, широта и долгота) могут быть выполнены на удаленном сервере, на основании сдвигов кода и другой информации, отосланной с приемника GPS на удаленный сервер. Некоторые примеры систем GPS раскрыты в Патентах США № 5841396, 6002363 и 6421002.

Часы GPS предназначены для поддержки точного времени GPS, однако, так как зачастую точное время не доступно до установления местоположения, это является установившейся практикой для поддержки времени в программном обеспечении часов GPS посредством его гипотетического значения и неточности, связанной с этим значением. Может быть отмечено, что после установления точного местоположения GPS время GPS зачастую будет точно известно (в пределах неточности, равной нескольким десяткам наносекунд в текущих осуществлениях GPS). Однако, после завершения конечного вычисления определения местоположения на удаленном сервере, это точное время может быть доступным только на сервере.

Система 25 управления мобильным устройством соединена и с системой 22 двухсторонней связи и с системой 27 определения местоположения. Система 25 управления мобильным устройством включает в себя любую соответствующую структуру, например, один или несколько микропроцессоров, память, другие аппаратные средства, встроенное программное обеспечение и программное обеспечение для обеспечения соответствующими функциями управления соединенной с ними системы. Описанные в данном документе этапы обработки могут быть осуществлены любым подходящим способом.

Система 25 управления соединена с пользовательским интерфейсом 26, который включает в себя любые подходящие компоненты для интерфейсного взаимодействия с пользователем, например, вспомогательную клавиатуру, микрофон/динамик для услуг (служб) речевой связи, и дисплей, например, жидкокристаллический дисплей с задней подсветкой. Система 25 управления мобильным устройством и пользовательский интерфейс 26 соединены с системой 27 определения местоположения и обеспечивают подходящими функциями ввода-вывода приемник GPS и систему двухсторонней связи, например, управлением пользовательского ввода и представлением результатов.

Далее, со ссылкой на Фиг.3 и другие фигуры, описан пример способа когерентной обработки. Фиг.3 - блок-схема, которая изображает серию этапов, выполняемых в мобильной станции для обработки принимаемого сигнала GPS для идентификации того, действительно ли он соответствует гипотезе, которая выбирает код GPS и смещение несущей частоты. Алгоритм может исследовать все возможные смещения сдвига кода (например, 1023 смещения) для попытки найти соответствие смещения сдвига кода для выбранного кода GPS. Затем алгоритм когерентной обработки повторяется для каждого кода GPS, который может находиться в поле зрения мобильной станции. Дополнительная некогерентная обработка может быть добавлена к алгоритму, изображенному на Фиг.3, для дополнительного улучшения чувствительности. Для простоты, эта добавленная сложность обсуждается позже со ссылкой на Фиг.11.

На Фиг.3, на этапе 30 обозначена операция для наблюдения сигнала GPS. По существу, приемник принимает электромагнитную энергию с несущей частотой, близкой к несущей частоте GPS, с гипотезой о том, что сигналы GPS присутствуют и являются обнаружимыми. Сигнал GPS (если они присутствуют) наблюдаются в течение времени, по меньшей мере, периода T_c, периода времени, за который блок данных берется для когерентной обработки (T_c также может упоминаться как «период блока данных» или время когерентного интегрирования (обработки) сигнала).

При отсутствии помех функциональная форма сигнала GPS s(t) теоретически может быть представлена в любое время t следующим образом:

s(t)=Ad(t)P(t)exp(j2□ft+□) (А1)

где A - амплитуда сигнала, d(t) - последовательность данных, имеющая относительно низкую скорость передачи (например, 50 бод), которая модулирует несущую (например, посредством двухпозиционной фазовой манипуляции), P(t) - колебательный сигнал, состоящий из набора повторения кадров последовательности PN F(t), f - несущая частота (которая является идеально равной f₀), а □ - фаза несущей. Например, если скорость передачи (например, элементов сигнала) равна 1,023 МГц, F(t) имеет длину, равную 1023 элементам сигнала, то, следовательно, скорость передачи кадров PN должна быть равна 1 кГц, а P(t) иметь длину, равную K□1023 элементам сигнала.

Может быть отмечено, что уравнение (А1) - сложное представление несущей, которое может быть полезно при использовании выборочных методов квадратуры для обработки сигнала, разумеется, что могут использоваться и другие представления в качестве соответствующих. В реальной окружающей обстановке должно быть признано, что различные параметры могут не быть полностью постоянны, но для объяснительных целей мы предполагаем, что амплитуда сигнала и различные скорости модуляции являются приблизительно постоянными.

Фиг.4 - диаграмма, которая представляет структуру идеального сигнала GPS, описанного в уравнении (А1). Сигнал GPS формируется из серии кадров PN, отмеченных ссылочным номером 45, каждый из которых включает в себя колебательный сигнал F(t) 46, который двухфазно модулирован, согласно специфической шумоподобной (или «PN») последовательности и несущей частоте 47. Индивидуальный повтор F(t) называется «кадром PN». Каждый кадр PN имеет предопределенный период T_r. Под ссылочным номером 48 изображены данные перехода последовательности данных d(t), встречающиеся в начале одного из иллюстрированных кадров PN, однако в связи с тем, что последовательность данных d(t) имеет относительно низкую скорость передачи, данные 48 перехода встречаются только один раз в 20 кадров PN (для кодов C/A американской GPS) и поэтому данные перехода могут встречаться или не встречаться в начале произвольно выбранного кадра PN.

Каждый спутник GPS (SV) передает уникальный колебательный сигнал F(t) кадра PN, отмеченный ссылочной позицией 46, который является серией элементов сигнала, передающихся на предопределенной скорости. Колебательные сигналы PN отличаются от друг друга по специфической последовательности PN, используемой для двухпозиционной фазовой манипуляции несущей. Например, эти последовательности могут быть выбраны из набора Золотых кодов в колебательных сигналах C/A американской системы GPS.

В одном примере скорость передачи элементов сигнала равна 1,023 МГц и, следовательно, скорость передачи кадров PN равна приблизительно 1 кГц. Колебательный сигнал F(t) повторяется непрерывно, например, первый код от первого спутника SV₁ многократно передает уникальную последовательность F₁(t), SV₂ многократно передает уникальную последовательность PN F₂(t) и т.д. Приемник GPS запрограммирован с уникальными последовательностями PN для всех спутников GPS, которые могут находиться в поле зрения. Эти последовательности PN могут быть использованы в алгоритме для идентификации конкретного спутника, в частности, когда спутниковый сигнал принят в приемнике GPS, последовательность PN используется для идентификации спутника, который передал принятый сигнал. Однако первоначально приемнику GPS не известен фактический момент принятого сдвига кода, который, как описано выше, может находиться в пределах всего кадра PN (например, период, равный одной миллисекунде или 1023 элементам сигнала). Кроме того, приемнику не известно, является ли сигнал GPS, связанный с конкретным кодом PN, обнаружимым, так как он может быть ослаблен посредством различных преград и/или, возможно, фактом не нахождения конкретного спутника SV в поле зрения. Следовательно, приемник должен производить последовательный или параллельный поиск по диапазону момента неопределенности в попытке обнаружить гипотетический сигнал и синхронизировать момент принимаемого кадра GPS с моментом локально сформированного опорного кадра.

В реальных условиях эксплуатации GPS приемник GPS одновременно принимает множество сигналов, подобных теоретическому сигналу, определенному в уравнении (А1), каждый из которых имеет уникальную последовательность PN F(t). Например, в типичной ситуации приемник GPS обычно принимает 8-12 сигналов от множества находящихся в поле зрения спутников в любое время и различные параметры, отличающиеся друг от друга из-за различных длин пути, направления прибытия и, например, сдвиги доплеровской частоты. В иллюстративных целях сначала обсуждается обработка одного из сигналов теоретической формы уравнения (А1), сопровождаемая демонстрацией того, как могут быть использованы описанные в данном документе алгоритмы обработки для обработки множества сигналов, каждый из которых имеет теоретическую форму уравнения (А1).

Когда сигналы GPS достигают приемника, они зачастую сильно искажаются посредством аддитивного шума, и возможно также искажаются посредством другого шума или помех. Кроме того, может казаться, что несущая частота и скорость передачи элементов сигнала немного сдвинуты от ее первоначального значения, прежде всего посредством доплеровских эффектов. Таким образом, несущая частота может быть незначительно сдвинута, как наблюдается посредством приемника в мобильной станции (MS), из-за движения спутника (SV) и мобильной станции (MS), и, поэтому, когда приемник принимает сигнал, фактически принятая несущая частота может изменяться от ее идеальной предопределенной несущей частоты f₀ посредством величины, названной «остаточной частотой». Кроме того, ошибки в гетеродине мобильной станции (MS) также заставляют несущую частоту изменяться от ее идеальной частоты.

Возвращаясь снова к Фиг.3, на этапе 31 несущая частота «удаляется» из сигнала GPS посредством подходящей схемы смещения частоты, оставляя остаточную частоту f_e. Для удаления несущей частоты обычно сигнал GPS сначала преобразовывают в промежуточную частоту (IF) посредством преобразователя частоты, затем обрабатывают для сокращения оставшегося компонента IF для приблизительного обнуления посредством любой подходящей аналоговой или цифровой методики. Например, частота IF может быть приблизительно удалена посредством другого преобразователя частоты или после преобразования GPS в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе могут быть использованы смешанные методики цифровой обработки. В некоторых осуществлениях схема преобразования частоты может обеспечить конечную частоту, имеющую малоизвестное смещение частоты плюс вышеупомянутую остаточную частоту. Так как это малоизвестное смещение частоты является известной постоянной, последующая обработка нужна только для определения остаточной частоты. Для простоты, в нижеследующем обсуждении мы предполагаем, что это малоизвестное смещение равно нулю. Однако обсуждаемые в данном документе способы и устройство одинаково применимы к случаю, в котором такое известное смещение является отличным от нуля.

Как правило, остаточная частота возникает прежде всего из-за доплеровских эффектов. Кроме того, сам приемник может ввести небольшой сдвиг частоты в течение обработки сигнала. Сумма этих двух ошибок от идеальной несущей частоты может быть представлена посредством определенного максимального допустимого отклонения (∆f). Поэтому фактическая принятая несущая частота обычно находится в пределах диапазона f₀±∆f. Остат