CN102272625A

CN102272625A - 使用近地轨道(leo)卫星的本地时钟频率校准

Info

Publication number: CN102272625A
Application number: CN2009801540343A
Authority: CN
Inventors: G·M·格特; D·惠兰; B·G·弗瑞尔; R·W·布伦利; C·J·马腾斯; A·T·哈达德
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2029-12-23
Also published as: CN102272625B; US20100171652A1; JP2012514893A; AU2009335678B2; WO2010080658A3; EP2384449B1; EP2384449A2; AU2009335678A1; JP5687632B2; CA2744733A1; ES2434252T3; US7859455B2; WO2010080658A2; CA2744733C

Abstract

提供使用卫星信号校准本地时钟的频率的各种技术。在一个例子中，从卫星向设备传递频率稳定度的方法包括从卫星接收信号。该方法也包括从卫星信号确定码相位。该方法进一步包括接收帮助信息。另外，该方法包括使用码相位和帮助信息校准设备的本地时钟的频率，从而使本地时钟频率与卫星时钟频率基本同步。

Description

使用近地轨道(LEO)卫星的本地时钟频率校准

技术领域

本公开通常涉及卫星系统，并更特别涉及使用卫星系统的频率校准。

背景技术

许多类型的手持电子设备，例如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)接收机或其它无线电接收机，可以用来提供许多基于位置的服务。例如，商场中的购物者能够基于装置(例如蜂窝电话)“知道”她在商场内当前位置，接收关于她附近的、具有她正在搜索的特定商品在售的商店的信息和该商店的方向。或，基于装置能够准确定位他们自己的位置(即准确导航)，她能够与可以互相保持跟踪对方位置的朋友一起购物，或任何数量的其它无穷可能性可。

以使用蜂窝电话为例，基于位置服务的提供可能取决于蜂窝电话具有使用各种现有卫星导航系统(例如GPS)提供的导航和时序信号的能力。然而，在卫星信号可能被遮挡的许多情形中，这些卫星系统通常不会提供足够满意的系统性能(例如信号功率)以启用基于位置的服务。例如，导航卫星信号在建筑内(例如上面给出的购物中心例子)和其它高堵塞环境内(例如建筑结构包围的位置)可能受到非常大的衰减。另外，导航卫星信号可能会受到其它影响，例如雨衰；多径失真，例如高大建筑周围；干扰，例如在军事应用中；以及通过深叶(deep foliage)的衰减。

一些基于位置的服务系统和导航系统尝试通过使用各种方法来解决室内导航缺陷，例如惯性导航系统、专用信标和高灵敏度GPS系统。然而，惯性导航系统漂移并且昂贵。信标需要昂贵且非标准化的专用固定设施，因此具有仅专用的用途。灵敏GPS系统通常不会执行用户期望，因为它们一直不能可靠地克服GPS信号在室内环境中的弱点。基于例如蜂窝电话或电视信号的其它导航方法通常缺乏垂直导航信息。

因此，需要改善手持设备(例如蜂窝电话、PDA、GPS导航仪或其它便携无线电接收机)对导航信号(例如GPS信号)接收的灵敏度，使得可以可靠地提供室内的基于位置的服务和导航。另外，需要提供手持设备在狭窄约束(例如，有限的体积、重量和功耗要求)内的这样的导航信号接收灵敏度。

发明内容

根据一个实施例，从卫星向设备传递频率稳定度的方法包括从卫星接收信号；从卫星信号确定码相位；接收帮助信息；以及使用码相位和帮助信息校准设备的本地时钟的频率，从而使本地时钟频率与卫星时钟频率基本同步。

根据另一实施例，接收机单元包括适于从卫星接收信号的天线；本地时钟；适于从卫星信号中时间传递结构消息采样数据的模数(A/D)转换器；适于存储帮助信息的存储器；以及计算机，其适于使用采样数据确定码相位，并使用码相位和帮助信息为本地时钟确定频率校正，从而使本地时钟频率与卫星的时钟频率基本同步。

根据另一实施例，在衰减环境中接收全球定位系统(GPS)信号的方法包括检测近地轨道卫星(LEO)信号的帧结构；使本地时钟对准到帧结构；根据帧结构生成分别隔开的多个时间估计值；向多个平行相关器中的每一个提供时间估计中相应的一个；使用时间估计值时间对准平行相关器；以及使用来自时间对准的相关器的时间估计值锁定GPS信号。

本发明的领域由权利要求定义，其包括在该节作为参考。通过考虑一个或更多实施例的下面详细描述，向本领域技术人员给予本发明实施例的更完全理解，及其另外优点的实现。参考首先简要描述的附图的附表。

附图说明

图1是图解根据本发明实施例能够在遮挡或干扰环境中执行的导航系统的概述的示意图；

图2是根据本发明实施例的接收机单元的框图；

图3是图解根据本发明实施例的近地轨道(LEO)卫星的时间传递结构信号的信号时序图；

图4是图解根据本发明实施例从卫星获得精确频率传递的方法的流程图；

图5是图解根据本发明实施例确定接收的卫星信号的码相位的方法的流程图；

图6是图解根据本发明实施例在衰减或干扰环境中执行频率传递的方法的流程图。

通过参考下面详细描述更好地理解实施例和它们的优点。应理解，相同的标号用来识别在一个或多个附图中所示的相同元素。

具体实施方式

通常，本发明的实施例使小型手持设备(例如蜂窝电话)能够将卫星频率发生器的频率稳定度传递到手持设备，即使是在导航卫星信号可能被衰减到设备不能解调它的环境中，例如室内。因此，实施例可以给予如下能力：使用通信卫星信号来校准便携用户设备的本地振荡器频率，由此改善便携设备(例如蜂窝电话、全球定位系统(GPS)接收机或任何其他类型的无线电接收机)的灵敏度，并使得能够在遮挡或干扰环境中检测导航卫星(例如GPS)的信号。

根据实施例，采用卫星(例如近地轨道(LEO)卫星)的系统可以用来增强接收机单元(例如蜂窝电话或其它紧凑设备)，使得它们即使在严重衰减、遮挡或干扰环境中也可以提供基于位置的服务。根据一个或多个实施例的导航系统通过改善接收机单元的灵敏度，在尽管从现有源(例如GPS卫星)接收的信号根本上微弱的情况下也可以工作。

来自某些卫星(例如通信卫星)的信号通常比来自其它卫星(例如定位系统卫星，例如GPS)的信号更强。例如，信号比GPS信号更强的卫星系统是LEO卫星星座铱星。在一个实施例中，铱星以周期性重复的伪随机码(也称为伪随机数(PN)码)形式广播唯一绝对的时序信号(也称为“时间传递结构信号”)。该代码的结构允许用户设备即使在以下严重衰减或遮挡的环境中也锁定它，例如室内环境或商业情景中竞争信号潜在干扰GPS信号的环境，或在例如军事情景中敌人故意干扰GPS信号的环境，这里接收机单元能够接收铱星信号但不能接收GPS信号，因为GPS信号的较低功率和环境的衰减而导致。对于铱星，可重复伪随机码的结构允许接收机单元102即使在严重衰减环境中也锁定伪随机码，例如在天线高达-45dB衰减，超过大多GPS接收机接收失败的情况近-15dB。通过结合码相位与网络(例如蜂窝网络、互联网或WiFi)提供的附加信息(例如，轨道信息、近似时间和近似位置)，码相位可以被转换为具有近1到10微秒精确度的绝对时间。一旦实现精确时序，那么接收机单元可以使用该信息来调准GPS相关器，然后其可以成功接收(即检测)GPS信号。

一旦检测到信号，接收机单元(例如蜂窝电话)可以使用铱星的多普勒测量结合已知的广播频率信息和精确轨道信息来估计频率的变化率。因为接收机单元具有范围信息和轨道信息，因此可以去除多普勒效应。原理上，剩余频率信号是卫星的载频。卫星的载波合成器通常具有与在便携设备(例如移动电话，即接收机单元)中可能提供的载波合成器相比高得多的质量。因此，根据在此描述的某些实施例，将卫星载频的频率稳定度传递到接收机单元的本地时钟是可能的。使用铱星，经减小从而实践的频率传递系统能够实现结果为在1.6GHz(吉赫兹)中大约40Hz(赫兹)或大约百万分之0.025(ppm)频率稳定度的频率传递。

根据一个或多个实施例，从卫星信号得到的稳定频率充分准确从而有助于对准接收机单元中的系统相关器，从而聚焦在非常窄的时间段中。在遮挡或干扰环境中使用多个系统相关器而没有精确时间参考的益处时，由于在大时间段上搜索而使相关处理计算负担重，并且接收机单元可能不能够在这样的条件下执行。然而，通过稳定频率的传递(例如，具有大约0.025ppm的准确度)，接收机单元(或用户设备)通过对准接收机单元的系统相关器，即使在高衰减或干扰环境中也可以更好地接收和跟踪来自定位系统(例如GPS)的导航信号。因此，本发明的实施例可以有助于高衰减或干扰环境中的GPS或任何其它定位卫星系统。

图1图解根据一个实施例能够在遮挡或干扰环境中执行的导航系统100。如在图1中示出，导航系统100可以包括被配置为从导航系统卫星106接收信号109的接收机单元102(例如，蜂窝电话)。信号109可以包括来自常规导航卫星的全球定位系统信号(例如，受保护的和/或不受保护的GPS信号)。同样，接收机单元102可以被配置为从卫星104接收信号105，卫星104可以是LEO卫星。从LEO卫星104接收的信号105可以包含在卫星104上经过编码的精确时间信号。接收机单元102也可以被配置为从网络108接收信号107。网络108例如可以包括蜂窝网络、互联网、WiFi网络或其它网络的任何组合。通过网络108接收的信号107可以包括另外的帮助信息，例如关于卫星104的轨道信息、接收机单元102的近似位置、在卫星104和接收机单元102之间的近似距离(例如，在大约3000米(m)之内)、近似时间信息(例如，在UTC的大约5秒内的近似时间)、关于卫星104的时序偏差信息(例如，卫星时钟偏移)和/或其它信息。

根据一个或多个实施例，导航系统卫星106可以是集成高性能导航和通信系统(例如iGPS(室内全球定位系统)系统)的一部分。根据另一实施例，卫星106可以是任何其它定位卫星系统的一部分，包括例如全球轨道导航系统(Glonass)。

在一个例子中，LEO卫星104可以是通信卫星，其可以由现有通信系统(例如，铱星或全球星卫星系统)的卫星实现。在铱星用来实现卫星104的一个例子中，铱星的飞行计算机可以用合适软件重编程，从而有助于导航信号的处理。在全球星通信卫星用来实现卫星104的另一例子中，卫星弯管架构容许地面设备更新从而支持各种新信号格式。在卫星104实现为LEO通信卫星的实施例中，LEO通信卫星可以被配置为支持通信信号和导航信号。在这点上，这类导航信号可以被实现为考虑各种因素，例如多径抑制、测距准确度、互相关、对干扰和干涉的抵抗性以及安全性(包括选择访问、反欺骗和截获的低可能性)。

接收机单元102可以被实现为具有合适的硬件和/或软件，从而从各种空间和陆地测距源(即，卫星104、106和网络108)接收和解码信号从而执行导航。这类信号可以包括例如卫星广播，该卫星广播来自GPS(或任何其它定位系统(例如Glonass))、LEO(例如铱星或全球星卫星系统)、广域增强系统(WAAS)、欧洲同步导航覆盖服务(EGNOS)、多功能卫星增强系统(MSAS)、伽利略准天顶卫星系统(QZSS)和/或移动卫星风险(MSV)卫星)。这类信号也可以包括来自网络108的陆地广播，网络108可以包括蜂窝网络、TV网络、互联网、WiFi、WiMAX、国家交通工具基础设施整合(VII)节点和其它合适源的。可以根据在美国专利No.7,372,400中阐述的各种实施例实现接收机单元102，该专利授权于2008年5月13日，其包括在此作为参考。

接收机单元102可以进一步被配置为使用如特定实施例中可能被期望的其它空间和地面测距源的广播信号来进行接收和执行导航。另外，接收机单元102可以被配置为具有惯性测量单元(IMU)，其被实现为例如微机电系统(MEMS)装置从而提供干扰保护。接收机单元102也可以以适合于特定应用的任何期望配置实现。例如，在各种实施例中，接收机单元102可以被实现为蜂窝电话(手机)、iGPS接收机、手持导航设备、基于交通工具的导航设备、基于飞行器的导航设备或其它类型设备。在一个实施例中，接收机单元102的位置可以对应于用户位置。

图2示出根据一个实施例的接收机单元102的系统框图的例子。如在图2中所见，接收机单元102可以包括适合接收先前在此描述的卫星信号105、107和/或109的多频天线。天线202可以耦合到一个或多个预选滤波器203，预选滤波器203可以馈送放大器204，放大器204连接到模数(A/D)转换器205。A/D转换器205的采样率可以合适地确定为使得接收机单元102可以下变频到基带的所关心的全部频带。合成器207可以从温控晶体振荡器(TCXO)208接收信号217。合成器207可以耦合到A/D转换器205、惯性测量单元210和计算机206，计算机206可以包含存储器和处理器。计算机206可以从惯性测量单元210接收原始测量值211，并从合成器207与A/D转换器205接收输入，从而产生输出209，输出209可以包括位置、海拔和时间。

系统相关器可以通过计算机206的处理器实现。例如，在接收机单元102处于遮挡或干扰并且不能从导航系统卫星106接收可检测到的信号109(例如，GPS信号)的位置中，接收机单元102可以向网络108发送请求帮助的消息。接着，网络108可以确定附加的帮助信息，从而向接收机单元102提供。接着，接收机单元102可以使用信号107(其包含通过网络108获得的附加帮助信息)并且结合信号105(其包含来自LEO卫星104的时间传递结构信号)来对准其系统相关器。系统相关器的对准可以使接收机单元102能够检测导航系统信号109，使得足够改善从导航系统卫星106的接收，以便接收机单元102即使在遮挡或干扰环境中也能够执行导航。

图3图解根据一个实施例的LEO卫星(例如卫星104)的时间传递结构信号。图3的时间传递结构信号可以被实现为用于例如图1的导航系统100，或它也可以用于例如网络同步，或用于其它系统或应用。在图3图解的例子中，信号300可以被包括在来自铱星系统中卫星104的信号105中。

如在图3中示出，信号300可以包含连续的10千字节(K)缓冲周期302，其通过卫星系统中每个卫星104重复广播。每个10K缓冲周期302都可以包括例如9984字节，或等效的79872比特。因此，每个10K缓冲周期302都可以包括256个消息帧304，每个都具有312比特。每个卫星104每天可以发送1875个缓冲周期，每个持续大约46.08秒。

可以以0.18秒的间隔提供消息帧304。消息帧304的312个比特可以包括例如312个时间传递比特、为其它系统任务选择的312个有效载荷比特和/或包括时间传递比特和有效载荷比特的312个比特。时间传递结构消息比特提供256个可能的时间传递结构消息中的一个，并可以持续180msec消息帧304的大约8.28msec。时间传递结构消息突发(即，数据的8.28msec)可以在消息帧304内被偏移特定的“时隙”。有效载荷比特提供通信数据，其每90毫秒与语音更新一起发生(例如，电话呼叫)。另外的比特可以由卫星104预定义，用于如特定应用中可能期望的各种其它目。消息帧304的全部位都可以用来检测消息帧304的边缘。

每个时间传递结构消息可以具有它自己的唯一的伪随机码(或其它唯一代码)，使得每个时间传递结构消息与其它时间传递结构消息区别开。唯一的代码可以是例如伪随机码、正交码或其它二进制码，该其它二进制码具有以下特性：码组的不同成员之间的互相关性相对低(例如，小于大约0.5)，并且每个单独码组成员的自相关性相对高(例如，大于大约0.5)。

例如，如果具有256个或更多不同时间传递结构消息，那么在缓冲周期302中256个消息帧304中每个都可以在缓冲周期302内具有它自己唯一的时间传递结构消息。在一个实施例中，铱星104可以广播伪随机码，其大约每46.08秒重复。在另一实施例中，粗时序码之后是伪随机码。粗时序码可以包含纯载频的重复段，其可以由接收机单元102容易检测到，以便与各种操作(例如确定多普勒频移)一起使用。接着，伪随机码可以用来将绝对时间确定到高准确度，但比起粗时序码，其更难以被接收机单元102检测。在这点上，粗时序码可以被接收机单元102使用来高效确定伪随机码预期被接收到的近似时间。

可以使用公式(1)来计算(例如，通过计算机206)时间传递结构消息到达接收机单元102的精确时间，该公式在图3中示出并且在这里：

时间＝开始时间+(N-1)*46.08sec+(n-1)*18sec+时隙偏移+(从卫星到用户的距离)/c (1)

在公式(1)中，“时间”是要计算的时间传递结构消息到达的精确时间，并且“开始时间”表示卫星104广播缓冲周期302的已知开始时间。在公式(1)中表示的开始时间值可以是例如在定义日期的中午12:00或一些其它时钟时间，并可以经数据链路输送到接收机单元102或存储在接收机单元102的存储器(例如计算机206的存储器)中。同样在公式(1)中，c是光速。

在公式(1)中，可以表示当前10K缓冲周期302的“N”是缓冲周期302自从开始时间已经重复的次数。在公式(1)中，例如，假设每个缓冲周期的256个唯一消息每46.08秒重复。在一个实施例中，接收机单元102的本地时钟可以具有足够准确度，例如，如果接收机单元102具有与网络108同步的时钟，从而确定N的值。

在公式(1)中，“n”(也称为“码相位”)表示时间传递结构消息(例如，在8.28msec突发中)已经通过其唯一的伪随机码而被识别的消息帧304(每个消息帧持续0.18秒)的序数(在该例子中，第1到第256)。在公式(1)的例子中，LEO卫星104每0.18秒广播时间传递结构消息，并且每个时间传递结构消息都包含256个唯一伪随机码中的一个。在256个消息帧304的缓冲周期302之后，伪随机码从开始重复。因此，在该例子中，“n”是在1到256之间的数。因此，如果接收机单元102可以识别接收到哪个时间传递结构消息，那么可确定码相位“n”。例如，接收机单元102可以执行相关性从而在噪声存在的情况下识别接收到哪个时间传递结构消息。

在公式(1)中，“时隙偏移”占据时间传递结构消息(例如，8.28msec突发)发生之前0.18秒长的消息帧304内的时间量。可能有若干时隙被分配在每个消息帧内(例如，在0.18sec帧中，可能多至大约21个时隙容纳8.28msec突发)。时隙的使用可以允许例如卫星广播频率的时分复用或时分多址(TDMA)。可以由卫星104提供时隙；可以由基准站测量时隙；并且时隙可以固定或可预测为卫星服务的一部分。“时隙偏移”也可以用来补偿系统100中任何时序偏差；例如，它可以补偿卫星104的时钟的测量误差，或传输序列中已知的时隙变化。接收机单元102可以通过网络108得知使用哪个时隙。

在公式(1)中，“从卫星到用户的距离”表示在卫星104和接收机单元102之间的距离。可以使用卫星104的轨道模型、接收机单元102位置的适当准确的认识与近似时间(作为到卫星轨道模型的输入)计算该间距。在一个实施例中，为了获得公式(1)中“时间”的计算中获得大约10微秒内的准确度，距离估计可以准确到大约3000米，其可能等同于在地面上大约20000米的水平准确度。该水平的定位可以经由例如蜂窝网络技术使用蜂窝网络108容易实现。在确定从卫星104到接收机单元102的距离之后，接着除以光速(也称为“c”)，从而在公式(1)中提供对信号105从卫星104传播到接收机单元102所需时间的时间校正。

可以经由数据链路(例如通过网络108)输送需要的附加帮助信息，例如轨道模型、近似时间和近似接收机单元102位置。另外，可以采用简单波束覆盖法来基于用户当前位于的哪一个LEO卫星波束(例如，来自卫星104)的认识和近来的波束时间历史确定接收机单元102的位置。接收机单元102近似定位的许多其它方法也可以适当地采用。在一个实施例中，卫星104的卫星轨道信息(星历表)可以包括诸如及时的、在各点的、卫星星座图内的卫星104的位置的信息以及可以由接收机单元102使用来从卫星104准确获得时钟值的其它信息。在该实施例中，网络108可以容易确定接收机单元102(或用户)在小于一千米内的位置。从卫星到用户的距离(也称为范围)可以准确到大约3千米。接收机单元102的近似时间可以与轨道信息一起使用来确定位置，并因此确定卫星104的范围。

图4图解根据一个实施例从卫星(例如卫星104)向小型、便携、手持设备(例如接收机单元102)传递频率稳定度的方法。例如，一旦例如使用公式(1)确定时间传递结构消息的“时间”，那么接收机单元102可以锁定时间传递信号。接着，一旦在卫星104和接收机单元102之间的相对运动的多普勒校正应用到时间传递信号，那么接收机单元102可以生成本地时钟信号，其频率稳定度有效接近卫星104频率稳定度的准确度。

在步骤402，接收机单元102从卫星104接收信号105，其可以包含在图3中示出的时间传递结构信号300。如先前描述，时间传递结构信号300可以包含伪随机码和/或伪随机码跟随其后的粗时序码。

在步骤404，接收机单元102可以使用例如下面参考图5描述的方法来确定时间传递结构信号300的码相位，或公式(1)的“n”。简要地，接收机单元102可以执行相关性，从而即使在噪声存在的情况下识别接收到哪个时间传递结构消息。例如，如果噪声存在，那么可能接收到随机比特，接着接收到时间传递结构消息，接着再次接收到随机比特。因此，时间传递结构消息可能被噪声损害，并且可能包括损害的比特值。假设发送了长消息，例如1000个比特消息，那么这些比特可以与接收到的比特比较。如果，例如980个比特是正确的，那么比较接下来的1000个比特，直到达到峰值。当正确的比特数量大于平均数量时达到峰值。在发送1000个比特的消息的例子中，如果峰值为例如600，那么确定其为正确的消息。因此，在特定时间在噪声存在的情况下接收并统计确定消息。

在步骤406，接收机单元102可以接收附加帮助信息，例如时间传递结构信号的开始时间(在公式(1)中由“开始时间”表示)、时间传递结构信号传输的预期载频、LEO卫星轨道的模型和在上面结合图3与公式(1)描述的时间偏差校正信息。接收机单元102可以经由例如网络108接收附加帮助信息，或在例如接收机单元102移动进或移动出衰减环境的情况下从卫星104接收附加帮助信息。通常，附加帮助信息的更新率可以为低，并且可以例如存储24小时或更长。另外，近似时间(例如，在若干秒的准确度内)可以通过网络108提供，或由接收机单元102的本地时钟提供。

在步骤408，接收机单元102具有足够信息以例如通过根据公式(1)计算“时间”确定精确绝对时间，其可以匹配LEO卫星104(例如，铱星)保持的内部时钟时间。例如，每个铱星都维持内部时钟，其被监视并且维持到相对于协调世界时(UTC，Fr.Temps universelcoordonné，也称为格林威治平均时间或Zulu时间)10微秒内的准确度而没有时钟漂移。因此，由铱星广播的时间传递结构信号可以被准确绑定到大约10微秒内的UTC时间。因此，通过确定铱星的内部时钟时间(例如，通过从公式(1)计算“时间”)，可以在接收机单元102获得准确到大约10微秒内的绝对时间信息。

在步骤410，接收机单元102可以补偿信号105的多普勒频移，即由卫星104和接收机单元102之间的相对运动产生的信号105的频率改变。例如，使用在步骤408计算的“时间”值并补偿多普勒频移，接收机单元102可以合成具有大约0.025ppm稳定度的频率。可以使用下面公式(2)计算多普勒频移：

多普勒频移＝-(范围变化率)×频率/c (2)

其中“c”是光速，“频率”是在卫星104处的信号105的频率，并且“范围变化率”是每单位时间接收机单元102和卫星104之间的范围或距离的变化，或等效地，在卫星和接收机单元之间的相对速度的变化。可以由接收机单元102例如使用在步骤406经网络108和接收机单元102接收的LEO卫星轨道的模型连同也在步骤406接收或确定的近似位置来计算范围变化率。

可以由接收机单元102使用对应“时间”或相关峰值的解调信号数据来生成来自卫星104的信号105的测量频率。在一个示范实施例中，可以通过检查解调的时间传递信号105的相位来测量频偏Δf。解调的时间传递信号105的相位可以是在解调的信号105的“同相”(I)分量和“正交”(Q)分量之间的角度。在该例子中，定义码相位(“n”)的比特可以被定义在两个连续组中，从而使码相位交错。相对于特定码相位的理想相关和解调的时间传递信号105的理想解调可以导致I和Q信号相同，因为交错的码相位相同(即，相位角是常量，这可以通过相位角的斜率为零来描述)。另一方面，本地振荡器和/或多普勒估计中的误差(即，非理想解调)导致的频偏导致相位角响应于频偏的非零斜率。测量相位角响应于频偏的斜率可以提供测量的频偏Δf。为了确保信号105的准确解调，公式(2)可以用来考虑由卫星104和接收机单元102之间的相对运动导致的多普勒频移。如果合适的多普勒校正应用于解调处理，那么任何测得的频偏可以仅是接收机单元102中本地时钟振荡器和卫星104上的精确时钟振荡器之间的频率失配。由于卫星104上的精确振荡器具有已知频率(f_{_known})，所以可以使用公式(3)找到真实的本地频率(f_{_local})：

f_{_local}＝f_{_known}+Δf (3)

频率对准的许多可能方法存在于硬件或软件。例如，一种硬件方法通过生成振荡器控制电压来对准频率，该振荡器控制电压与解调处理测得的相位/频率误差(例如，Δf)成比例。接着，该电压可以充当到压控振荡器(VCO)的负反馈输入信号，VCO可以例如包括在单元102中。接着，VCO的输出频率可以再应用到解调处理，得到新的误差Δf_{_new}。该反馈过程可以持续直到输入误差Δf_{_new}充分小，使得修改的本地频率(f_{_local_new})足够接近基准频率f_{_known}，从而实现本地时钟频率的期望准确度。可以使用例如锁相环(PLL)实现该处理。

在上面描述的处理之后，现在f_{_local_new}是校准过或校正过的本地时钟频率，其可以具有与卫星信号105基本上相同的频率稳定度和准确度。换句话说，LEO卫星104的频率稳定度和准确度已经被传递到手持接收机单元102。

图5图解根据一个实施例确定接收到的卫星信号(即，在信号105中从铱星传输的时间传递结构信号300)的码相位的方法。图5的方法可以在图4的方法的步骤404中执行，例如在接收机单元102从铱星104接收并在全部铱星频带上收集包含数据(例如时间传递结构消息)的时间传递结构信号300之后，接收机单元102具有(如在图2中示出)天线202、预选滤波器203、放大器204以及用于将信号转换到解调的基带信号的A/D转换器205。

在步骤502，解调的数据可以通过A/D转换器205以例如每秒50M样本(兆样本或百万样本)的速率进行采样、捕获(例如，在A/D转换器205的寄存器中)并存储在存储器(例如，计算机206的存储器)中的合适块中，例如，含有一毫秒数据样本的块中。

在步骤504，可以执行采样数据的粗采集搜索。在该例子中，大约8.28msec(例如，对应时间传递结构消息突发的长度，见于图3)的数据可以被选择用于详细处理。可以使用已知轨道模型和估计时间估计捕获的数据的多普勒效应。可以基于已知(或估计)的子频带和访问用正弦和余弦函数数字解调数据。解调也可以包括估计的多普勒校正频率。接着，可以通过例如大约111的因子抽取数据。可以对抽取的数据使用快速傅里叶变换(FFT)，从而确定最高峰值和相关频率。相关频率也可以用来在接下来的迭代中进一步改善解调。解调通常可以产生DC结果，然而，非理想多普勒估计通常生成低频分量。在处理采样数据的每个块之后，可以处理采样数据下面的一毫秒块，即可以重复处理。接着，可以为峰值筛选处理的数据，执行一致性检查。例如，峰值应该隔开“n”×180毫秒(即，0.18秒消息帧长度，见于图3)。

在步骤506，在筛选峰值之后，可以在粗峰值+180毫秒-0.5×窗口的位置执行细采集。窗口表示可以预期找到码相位“n”的时间范围。例如，可以将采样数据与256个伪随机码时间传递结构消息做相关；接着，可以记录最高相关峰值；以及时间步长可以增加一定数量的微秒。接着，可以在窗口的持续时间重复该处理。

在步骤508，可以由接收机单元102通过得知哪个消息生成最优峰值并且得知捕获数据时的相对时间来确定码相位“n”。一旦确定码相位“n”，那么图5的方法结束。

一旦接收机单元102的本地振荡器或时钟的频率根据一个或多个实施例的上面描述的技术被校正到匹配卫星104频率合成器的稳定度和准确度，那么具有传递的频率稳定度和准确度的本地时钟频率可以用于许多应用，例如网络同步或用作对定位系统(例如GPS、iGPS(室内GPS)或aGPS(辅助GPS))的帮助。

图6图解根据本发明实施例为在遮挡(例如，衰减或干扰)环境中导航传递时钟准确度和稳定度的方法。图6的方法可以用在图1中示出的系统100实现，除了在该实施例中假设附加帮助信息(例如经网络108提供的)不可用之外。

使用图6的方法，可以在缺乏如前面描述提供的附加帮助信息的情况下，通过使用例如铱星的本机L波段突发结构信号来实现接收机单元102的本地振荡器的频率校准。在各种实施例中，卫星104可以是LEO卫星(例如铱星)，并且卫星106可以是GPS卫星。在这样的实施例中，已知铱星根据从1610MHz到1625MHz的L波段结构使用频率。GPS载波也在L波段中，中心在1176.45MHz(L5)、1227.60MHz(L2)、1381.05MHz(L3)和1575.42MHz(L1)频率。因为铱星和GPS频率之间接近，所以接收机单元102可以能够从两个卫星系统(铱星和GPS卫星系统)一起接收信号而不需要额外天线。铱星提供的L波段信号可以被绑定到UTC时间，其中精确度为大约10微秒。L波段铱星信号用180毫秒(0.18sec)消息帧构造。因此，通过确定铱星信号的L波段消息帧的边缘，可以获得准确的时序信息。

在步骤602，可以通过接收机单元102检测来自卫星104的信号105(例如，当其由L波段铱星信号实现时)的广播帧结构。即使在没有良好定义或细化的代码(例如，时间传递结构消息)的情况下，接收机单元102检测铱星传输信号的L波段帧也是可能的。因为在该实施例中，假设没有来自网络108的附加帮助信息，所以接收机单元102准备绝对时间(例如公式(1)的“时间”项)的连续猜测值或估计值。通过充足的先前认识，时间估计值的数量通常可以限制在合理数量。例如，在铱星帧结构的100帧内，具有对准的GPS秒。因此，时间估计值或猜测值的数量可以限于100。因此，通过简单得知卫星104的帧边缘，由于所需的时间估计值的数量被合理限制(例如，根据目前例子是100个)，所以GPS处理可以显著改善。

在步骤604，在产生连续估计值之后，接收机单元102的本地时钟可以被对准到卫星104(例如第一卫星)的信号105的帧结构。可以通过使用例如在解调的时间传递结构信号的处理数据中检测到的相位误差来完成对准。相位误差可以输入到先前描述的锁相环处理，从而实现信号105的帧结构和接收机单元102的本地时钟之间的频率/时间对准。

在步骤606，根据帧结构信号生成分别隔开的多个时间估计值，使得至少一个时间估计值被对准到卫星106(例如第二卫星)的信号109。

在步骤608，可以向接收机单元102的平行相关器提供时间估计值。在此情况下，接收机单元102(例如，GPS接收机)可以具有多个平行定位系统相关器，这样，即使在干扰或衰减环境中，足够的时间对准也可以能够锁定来自卫星106(例如，GPS卫星)的信号109(例如，GPS信号)。接着，平行相关器可以根据时间估计值对准。

在步骤610，对准到卫星106的信号109的时间估计值被识别，并且其显著改善接收机单元102高效检测卫星106的信号109的能力。接着，接收机单元102可以将来自卫星106(例如GPS卫星)的信号用于导航和定位，尤其在信号109不是可检测到的遮挡环境中。

在可应用的情况下，本公开提供的各种实施例可以使用硬件、软件或硬件和软件的结合实现。同样在可应用的情况下，在此阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以结合为包含软件、硬件和/或两者的合成部件，而不背离本公开的精神。在可应用的情况下，在此阐述的各种硬件部件和/或软件部件可以分离为包含软件、硬件和/或两者的子部件，而不背离本公开的精神。另外，在可应用的情况下，考虑软件部件可以实现为硬件部件，反之亦然。

根据本公开的软件(例如程序代码和/或数据)可以存储在一个或多个计算机可读介质上。也考虑在此识别的软件可以使用联网的和/或不联网的一个或多个通用或专用计算机和/或计算机系统实现。在可应用的情况下，在此描述的各种步骤的排序可以改变、结合为复合步骤和/或分离为子步骤，以提供在此描述的特性。

在上面描述的实施例说明但不限制本发明。还应理解，根据本发明的原理，许多修改和变化是可能的。因此，仅通过下面权利要求定义本发明的范畴。

Claims

1.一种从卫星向设备传递频率稳定度的方法，所述方法包含：

从所述卫星接收信号；

从所述卫星信号确定码相位；

接收帮助信息；以及

使用所述码相位和所述帮助信息校准所述设备的本地时钟的频率，从而使所述本地时钟频率与卫星时钟频率基本同步。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述校准包含校正所述本地时钟频率，从而补偿与所述卫星和所述设备的相对运动关联的多普勒频移。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述校准包含使用所述码相位和所述帮助信息测量所述卫星信号的频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准包含：

使用所述码相位和所述帮助信息测量所述卫星信号的频率；

校正所测得的所述卫星信号的频率，从而补偿与所述卫星和所述设备的相对运动关联的多普勒频移；

确定所述卫星时钟频率；以及

使用所述卫星时钟频率和校正过的所测得的所述卫星信号的频率来生成用于所述本地时钟频率的频率校正。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述卫星信号包含多个消息帧，其中每个消息帧包含时间传递结构消息。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

每个消息帧都进一步包含与通信数据关联的有效载荷比特。

7.根据权利要求5所述的方法，其中：

确定所述码相位包含识别代码，该代码对于所述消息帧中至少一个的所述时间传递结构消息中的每一个来说是唯一。

8.根据权利要求7所述的方法，其中：

所述代码是具有码组的二进制代码，其中所述码组的不同成员之间的互相关性相对低，而所述码组的每个单独成员的自相关性相对高。

9.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述帮助信息包含卫星轨道信息。

10.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述卫星是近地轨道卫星，即LEO卫星。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包含：

使用校准过的本地时钟频率来锁定全球定位系统信号，即GPS信号；以及

使用所述GPS信号确定所述设备的位置。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述校准包含从所述LEO卫星的轨道模型和所述设备的近似位置计算范围变化率。

13.一种接收机单元，包含：

适于从卫星接收信号的天线；

本地时钟；

适于对来自所述卫星信号中的时间传递结构消息的数据进行采样的模数转换器，即A/D转换器；

适于存储帮助信息的存储器；以及

计算机，其适于使用所采样的数据确定码相位，并且使用所述码相位和所述帮助信息确定用于所述本地时钟的频率校正，从而使所述本地时钟频率与所述卫星的时钟频率基本同步。

14.根据权利要求13所述的接收机单元，其中：

所述计算机适于使用所述码相位和帮助信息测量所述卫星信号的频率；以及

所述频率校正包括对所测得的所述卫星信号的频率的多普勒频率校正，从而补偿与所述卫星和所述接收机单元的相对运动关联的多普勒频移。

15.根据权利要求13所述的接收机单元，其中：

所述帮助信息包含所述卫星轨道的星历表；以及

所述帮助信息包含所述接收机单元的近似位置。

16.根据权利要求13所述的接收机单元，其中：

所述时间传递结构消息包含具有码组的二进制代码，其中所述码组的不同成员之间的互相关性相对低，所述码组的每个单独成员的自相关性相对高，并且所述码组的每个成员唯一地识别所述时间传递结构消息的消息帧。

17.根据权利要求13所述的接收机单元，其中：

所述消息帧的身份确定码相位；以及

所述帮助信息包括时隙偏移和从所述卫星到所述接收机单元的距离。

18.一种在衰减环境中接收全球定位系统信号的方法，即GPS信号，所述方法包含：

检测近地轨道卫星信号的帧结构，即LEO卫星；

使本地时钟对准所述帧结构；

根据所述帧结构生成分别隔开的多个时间估计值；

向多个平行相关器中的每一个提供所述时间估计值中相应的一个；

使用所述时间估计值来将所述平行相关器时间对准；以及

使用来自时间对准的相关器的时间估计值锁定所述GPS信号。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述生成包含生成所述时间估计值，直到所述LEO信号中至少一个帧与GPS秒对准。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包含：

使用所述GPS信号确定位置。