[发明专利]双频全球定位系统

说明书

发明领域

本发明一般地涉及全球定位系统(GPS)，并且更具体地，涉及使用在L1频段和L2频段接收的GPS测距信号来测定其位置的接收机。

发明背景

一个全球定位系统包括若干颗卫星，每颗卫星在L1和L2频段上发送测距信号。此处所述的测距信号，分别为L1信号和L2信号，它们被各自卫星所特有的伪随机二相码所调制。一台GPS接收机接收来自多颗卫星的信号，并利用各相关码，测定(i)发送码到达的时间差，以及(ii)相关载波的相对相位。然后接收机利用这些信息，以一种已知的方式测定其位置。

由卫星产生的L1信号被C/A码和更高速率的P码所调制。P码以加密码加密，仅供政府特许的用户(如军方)识别。这些信号进一步被传送给接收机的某些与系统相关信息的数据所调制，如卫星的星历(即位置)，一天的当前时间(典型为一个标准时间，如格林尼治平时)，以及系统状态信息。

对于诸如导航等不需要测定“确切”位置的应用，即对于差动GPS计算在大约1米以上的位置之内时，GPS接收机基于来自至少四颗卫星的L1信号的码和载波相位测量值来测定其位置。为做到这一点，接收机把本地产生的适用的C/A码和载波与接收到的信号实现匹配。然后，基于接收机和卫星中的C/A码发生器的时钟差以及载波信号发生器的相位测量值，接收机计算其位置。

电离层折射改变了信号的路径，把误差引入到计算中，妨碍接收机更准确地测定其位置。如果需要更精确的位置信息，例如测绘上的应用，GPS接收机同时使用在L1和L2波段上传送的信号。

由于信号频率上的差异，电离层对L1和L2信号的影响不同。由于L1和L2信号的相对相位在发送中是已知的，在接收机中被下变频到同一个IF频率时，L1和L2信号间的相位差，可归因于电离层折射。因此，如果这个相位差能在接收机中被准确地测定，那么接收机就能利用一个已知的公式，测定由电离层引起的信号路径中的变化。这样，它就能对这些变化进行校正，并测定其位置到几个厘米甚至几个毫米以内。接收机能测定其位置的精确度至少部分是建立在相位信息的精确度的基础上的。

在测定L1或L2信号的相位时出现的问题是被称为“载波周期模糊度”。一旦接收机锁定在一个载波时，由于周期都是相同的，该接收机不能及时地测定在任一时刻它接收的是哪一个周期。整周期模糊度影响了接收机能利用单独的L1信号或L1和L2信号确定其位置的精度。为了单独基于L1信号求解模糊度，接收机必须借助码的时序来确定其位置到一个载波周期之内，即19厘米以内。这需要冗长、费时的计算并且需要基于大气条件的对电离层折射的估测。然而，如果同时使用L1和L2信号，只要它测定了其位置到L1减L2的一个周期之内，或差频，即86cm以内，接收机便能求解载波周期模糊度。这就降低了计算量，从而减少了接收机用于求解模糊度的时间。

使用L2信号的一个问题是包含于其中的码是被加密的。因此，在使用用于恢复L1载波的相同解码操作，即把本地产生的C/A码与接收到的信号中的(未加密的)C/A码匹配时，接收机不能恢复出L2载波。相反，接收机在它能恢复出L2载波以前必须从L2-P码中消去未知的加密码。

在以前所知的一种系统中，接收到的L2信号被平方，以便除去二相加密码。这产生了一个两倍于载波频率的输出信号。然后接收机从这个信号中恢复出载波。使用把该信号平方的问题在于信号的噪声分量也被平方，这对载波的恢复有不利影响。另外，这妨碍了对二相P码的跟踪，因为该码经过平方后同样被消去。其结果，导致了L1和L2信号间相位差的测定不够精确，从而导致了位置测定的不精确。

另一种系统试图通过首先粗略地使L2信号与本地产生型P码相关、然后平方该结果而减少噪声的影响。尽管它多少能减少噪声的不利影响，但它不能充分地消除这种影响。

发明概述