CN102209910B - 通过移动接收机优化来自卫星的扩频信号的捕捉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过移动接收机优化扩频信号的捕捉阶段的方法。所述方法包括：针对不同的频率假设，以及在标记相干信号积分的开始和结束的两个初始和最终时刻之间在所述频率的所有可能演变路径中搜索具有最大能量的路径。本发明特别应用于GPS(全球定位系统)、伽利略或全球导航卫星系统类型的卫星全球导航系统。

Description

通过移动接收机优化来自卫星的扩频信号的捕捉的方法

技术领域

本发明涉及一种通过移动接收机实现的用于优化捕捉扩频信号的过程的方法。本发明例如应用于源自GPS(全球定位系统)、伽利略(Galileo)类型的卫星全球导航系统的任何导航信号。

背景技术

表述“移动接收机”于此理解为包括：专用于卫星定位的装置(或接收机)，其可以是便携式的，或安置在陆地、海洋或空中载体中；以及装配有卫星定位装置的通信终端，例如手机或笔记本电脑或个人数字助理(PDA)等可能的通信类型。

在使用GNSS(全球导航卫星系统)类型的接收机的卫星定位系统中，数据信号使得接收机能够从属于定位卫星的星群的不同卫星(至少有四个来确定与接收机的地理坐标x、y、z和时间坐标相对应的四个未知量)开始计算接收机的位置。

卫星定位包括两个连续的步骤。第一步骤称为捕捉步骤，其在所关心的移动接收机上确定伪随机扩频码，所述伪随机扩频码调制源自属于所述星群的卫星的并且与参考时间相关的信号。该过程实际上将从卫星接收的信号，和基于与参考时间和卫星的起搏频率有关的假设的接收机本地产生的信号的复本相“比较”，以由此推导出调制所述接收信号的伪随机码，或者换句话说，以将接收机的起搏时钟及其频率同步到每个卫星的时钟和频率。为此，在时间-频率上对源自卫星的信号的能量进行搜索，此搜索通常通过基于时间和频率假设对的相关测量实现，以确定接收信号和接收机的本地复本之间的最大相关。

第二步骤包括基于接收信号中显著包含的所获取的码和导航数据来确定移动接收机的位置。更具体地，该第二步骤可再分为三个子步骤：从获取的伪随机码确定信号在每个卫星和接收机之间的传播时间的子步骤；从信号和传播时间中包含的导航数据确定接收机和每个卫星之间的伪距离的子步骤；以及用于从所述伪距离确定接收机的位置的子步骤。文献US 2006/0115022中描述了示例性卫星定位系统。

每个传播时间的准确度以及因此的每个伪距离的准确度直接确定了位置的准确度。此时，每个传播时间的准确度取决于相应的接收信号的伪随机码的捕捉质量，这取决于所述接收信号的质量。因此，当从卫星接收的信号中的至少一个质量差时，特别在不平坦或例如市内区域的拥挤环境中这是相对平常的，所确定的位置通常受误差影响。甚至可能会暂时不能确定接收机的位置，尽管源自其他卫星的信号的质量良好。

接收机具有三种频率不确定性，而与针对源自卫星的能量进行时间和频率搜索的日期有关的未知性增加了该不确定性。这三种频率不确定性为与卫星的移动有关的多普勒效应、与接收机的时钟准确度有关的不确定性、与接收机的移动有关的多普勒效应。与卫星的移动有关的多普勒效应可以通过已知方法确定，例如通过采用辅助服务器，例如在AGPS(Assisted GPS，辅助GPS)类型定位技术中使用的辅助服务器。时钟的本地振荡器愈加有效并变得越来越稳定。与接收机的移动有关多普勒效应变成了与相关峰值的位置以及据此的接收机的位置有关的不稳定性的主要来源。

不考虑与接收机有关的多普勒效应，在捕捉低能量信号的情况中可能有显著效果，捕捉低能量信号要求接收的信号能够在一长时间段内相干地积分。在实践中，频率假设积分窗的宽度与积分时间成反比，相干积分时间越长，频率假设积分窗的宽度越小，且因此频率假设的数量越大。那么时间和频率扫描涉及到对于接收机非常重要并且增加了接收机的位置有关的不确定性的计算功率和数据处理时间。在常规的捕捉机制中，例如文献US 2006/0012515中所述，通常针对在整个积分时间内保持相同的频率假设进行相干积分，这预示着接收信号的实际频率在积分时间内是稳定的。在长相干积分期间，与使用者的移动有关的多普勒效应造成实际的接收频率在所述积分期间变化，如果是针对稳定的假设进行积分则这使得积分无效。

发明内容

本发明的目的是解决所述问题，本发明提出一种通过移动接收机优化源自卫星的导航信号的捕捉的方法，其考虑了与接收机有关的多普勒效应，并且当针对信号的相关峰值进行搜索时能够减少待探测的频率假设的数量，并且减少了接收机内的计算时间。

为此，本发明的主题是一种用移动接收机优化源自卫星的扩频信号的捕捉的方法，包括：

-接收由至少一个发射机发射的信号，所述信号通过伪随机码调制，

-产生所发射的信号的伪随机码的本地复本，

-发射多个假设，所述多个假设与初始时刻t₀接收的信号的频率f_i以及该频率在直到最终时刻t_n的与积分时间相对应的时间上的趋势有关，每个假设与被称为趋势路径的在所述初始时刻和最终时刻之间的信号的频率趋势有关，

-计算所有频率-时间假设对(f_i，t_k)的相关函数s(f_i，t_k，τ)，

其特征在于还包括：

-选择与初始时刻t₀相对应的第一初始频率假设f₁，

-捕捉与接收机的移动有关的至少一个信息项，以及从中针对所述初始频率假设f₁推导出信号的频率随时间的趋势假设，

-确定时刻t₀和t_n之间的信号的频率的所有可能趋势路径的各自的总能量，其与相关函数的最大值也称为相关峰值相对应，通过将初始时刻t₀和最终时刻t_n之间的相关结果相干地合计来获得每个可能趋势路径的总能量，频率连续取自位于所选择的趋势路径上的所有频率值，-选择其总能量最强的趋势路径，

-连续选择所有其他可能的初始频率假设，并针对每个初始频率假设选择信号的总能量最强的信号的频率的趋势路径，

-从针对每个频率假设所选择的所有路径中确定具有最强能量的路径为最可能路径且对应于接收机要跟随的真实路径。

有利地，通过将初始时刻t₀和最终时刻t_n之间的相关结果相干地合计，来获得信号的频率的每个可能趋势路径的总能量，频率连续取自位于所选择的趋势路径上的所有频率值。

优选地，针对每个初始频率假设，通过考虑由位于接收机内的至少一个惯性传感器发送的信息来确定信号的频率的可能趋势路径。

有利地，由所述惯性传感器发送的信息在基于所述传感器的特性所建立的误差框内考虑。

可选地，当由所述传感器发送的信息在两次测量时刻之间的变化低于预定变化阈值时，则确定所述接收机在所述两次测量时刻之间未移动，那么假设频率在积分期间是稳定的。

附图说明

通过对本发明的优选的和非限制性示例的以下描述，本发明的进一步的特点和优点将更加明显，其中：

-图1为根据本发明的全球卫星导航系统的接收机的示例性结构；

-图2为一示例性频率-时间图形，其描述了在给定积分时间上的捕捉期间探测的频率假设；

-图3为根据本发明的针对给定初始频率假设f₁探测的可能路径的示例；

-图4为根据本发明的针对给定的初始频率假设f₁的可能路径的示例，其中考虑了惯性传感器发送的信息。

具体实施方式

图1中所示的结构包括：装置10，其用于接收卫星发射的射频信号；装置11，用于捕捉接收的信号以确定要对源自卫星的信号进行调制的伪随机扩频码；装置12，用于跟踪信号，使得能够补偿接收机的动态性；装置13，用于计算接收机的位置。而且，所述结构包括惯性传感器14，用于在处理装置15处理之后发送与接收机相对于卫星的速度和姿态有关的信息。

图2的图形的纵轴对应于待探测的频率假设(frequencyassumptions)，横轴对应于积分时间。待探测的频率假设位于与最小多普勒效应相关的最小频率和与最大多普勒效应相关的最大频率之间。时间轴和频率轴分别再分为基本持续时间和基本频带，且每个频率-时间对对应于图2中的网格中的特定单元。

每个频率假设具有可能是给定时刻的相应的接收机-卫星相对位置和接收机时钟偏移。在两个给定时刻t₀和t_n之间，接收机的位置可以沿着多个可能路径变化。为了获知接收机在每个时刻的位置，因此本发明包括探测每个可能的路径并针对这些路径的每一个计算信号的能量。具有最强能量的路径为接收机所跟随的路径。在对应于图2的图形的各个单元的每个给定频率f_i和每个给定时刻t_k，计算信号的能量。为此，接收机将接收信号与已经发送信号的卫星的伪随机码的复本相关。卫星的伪随机码是已知的并且在卫星的使用期内不会变化。在频率f_i和时刻t_k处相关的结果表示为：

$s(f_i,t_k,\mathrm{\τ})={\∫}_{\mathrm{kT}}^{(k+1)T}r\left(t\right)\·c\left((t-\mathrm{kT}-\mathrm{\τ})\frac{f_i}{f_c}{R}_c\right)\·e^{-2\mathrm{j\π}{f}_{i}t}\mathrm{dt}$

其中，r(t)为接收机接收的信号，c(t)为在接收信号的调制中使用的扩频码，T为通常与扩频码c(t)的周期相对应的相干积分时间，τ为接收的扩频码和发射的扩频码之间的估计偏差，fc为载波频率(对于GPSL1C/A通常为1575.42MHz)，Rc为扩频码的码片速率(对于GPS L1C/A通常为1.023M码片/秒)。例如，在GPS C/A信号情况中，通常T等于1ms。然而，T可以具有任何其他的值。

当已经执行完与每个频率假设相对应的所有基本相关时，根据本发明的方法包括选择与初始时刻t₀相对应的第一初始频率假设f₁，然后从所有的可能路径中选择针对t₀和t_n之间的信号的频率的特定趋势路径，以及通过合计(aggregating)构成该路径的每个项s(f_i，t_k，τ)来确定与该路径相对应的信号的总能量。t_n对应于该搜索的最终时刻。图3显示了基于时刻t₀到时刻t_n的初始频率假设f₁的所有可能路径。通过相干地合计相关结果s(f₁，t_k，，τ)来获得与选择的路径相应对的总能量，其中t_k连续取t₀和t_n之间的所有值，f₁连续取位于所选择的路径上的所有频率值。例如，在时刻t₁，频率值可以变为值f₂或f₃，或保持不变。

对于相同的频率假设，所有可能的路径被一个接一个地连续选择出来，以相似的方式计算它们各自的能量。在所有可能的路径中，只有一个单独路径允许对相关结果进行非破坏性重组，如图3中的粗线3所示。此外，该路径取决于卫星和接收机之间的相对动态性。因此该路径具有相应的最大信号能量。然后根据本发明的方法包括针对每个初始频率假设选择总能量最强的路径，并且从在每个频率假设处所选择的所有路径中确定具有最强能量的路径为最可能路径并且对应于接收机所跟随的真实路径。

该方法要求探测针对每个初始频率假设的所有可能路径，该方法非常繁琐而且在处理时间方面非常漫长。有利地，为了减少针对每个初始频率假设要探测的路径的数量，在初始时刻和最终时刻之间，本方法包括一中间步骤，其包括使用例如MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)类型的至少一个惯性传感器。该惯性传感器位于例如接收机上，并且发送与接收机的位置有关的信息，例如接收机的加速度和/或角度位置，和/或相对于磁北的航线，这些信息项针对空间的所有三个方向发送。为此，惯性传感器可以包括三轴加速计和/或三轴陀螺仪和/或三轴磁力计。惯性传感器发送的信息然后通过处理装置处理以获得接收机的姿态和/或位置和/或速度。然后这些数据被发射给捕捉装置，以在捕捉阶段考虑通过惯性传感器给出的接收机的连续位置，从而限制与随时间的频率趋势有关的假设，以及据此的在捕捉阶段的处理时间。在实践中，频率假设对应于与多普勒效应有关的假设，多普勒效应正比于使用者和卫星之间的相对速度。因此，由惯性传感器给出的信息为在捕捉期间与多普勒效应的趋势有关的信息。该信息能够限制初始时刻和最终时刻之间的可能的重组的可能性。

图4为显示了针对给定的初始频率假设f₁的可能路径的示例，其中考虑了惯性传感器发送的信息。粗线表示对应于信号的最大能力的真实路径3，由于与发送自惯性传感器的信息有关的不确定性而要被探测的路径2由虚线表示在误差框1内。在实践中，惯性传感器发送的信息展示了误差极限，其随着传感器的工作时间和温度而显著增加。因为传感器的特性由制造商给定，在处理之后，与传感器发送的信息有关的误差极限可以转换为频率，且从这些特性可以容易地确定与给定传感器相应对的频率的误差框。

因此，如图4所示，该方法包括，当已经执行完与每个频率假设相对应的所有的基本相关时，选择与初始时刻t₀相应对的初始频率假设f₁；跟随由传感器给定的信息提取的路径，直到与传感器发送的数据开始展现误差极限的时刻相对应的时刻t_k；然后在时刻t_k和最终时刻t_n之间，从先前所建立的频率误差框内所包括的所有可能路径中选择一路径。

有利地，该方法还可以包括一选项，即当传感器给出的信息表示接收机未移动时来辨别传感器给出的信息。该辨别通过如下执行：引入移动阈值，在该移动阈值以下则确定跟随传感器表示的信息。因此，当传感器表示在两个连续测量时刻之间，接收机移动的距离小于移动阈值时，该方法认为接收机在这两次测量期间未移动，因此频率也未移动。

该方法展现了如下优点：能够在积分时间内检测接收信号的所有的能量，而不会对处理时间以及因此的接收机的响应时间不利。此外，接收机的灵敏度在检测低能量的能力方面增强了，因为本方法能够考虑到了更大数量的频率-时间假设。

尽管本发明是参照具体实施例描述的，显然本发明不受限于此，其包括所描述的装置及其组合的技术等价物，只要其落入本发明的保护范围中。

Claims (4)

1.一种用移动接收机优化源自卫星的扩频信号的捕捉的方法，包括：

-接收(10)由至少一个发射机发射的信号，所述信号通过伪随机码调制，

-产生所发射的信号的伪随机码的本地复本，

-探测多个假设，所述多个假设与初始时刻t₀接收的信号的频率f_i以及该频率在直到最终时刻t_n的与积分时间相对应的时间上的趋势有关，每个假设与被称为趋势路径的在所述初始时刻和最终时刻之间的信号的频率趋势有关，

-计算所有频率-时间假设对(f_i，t_k)的相关函数s(f_i，t_k，τ)，t_k为t₀和t_n之间的给定时刻，τ为接收的扩频码和发射的扩频码之间的估计偏差，

其特征在于还包括：

-选择与初始时刻t₀相对应的第一初始频率假设f₁，

-捕捉与接收机的移动有关的至少一个信息项，以及从中针对所述初始频率假设f₁推导出信号的频率随时间的趋势假设，

-确定时刻t₀和t_n之间的信号的频率的所有可能趋势路径的各自的总能量，所述各自的总能量与相关函数的最大值相对应，也称为相关峰值，通过将初始时刻t₀和最终时刻t_n之间的相关结果相干地合计来获得每个可能趋势路径的总能量，频率连续取自位于所选择的趋势路径上的所有频率值，

-选择总能量最强的趋势路径，

-连续选择所有其他可能的初始频率假设，并针对每个初始频率假设选择总能量最强的信号的频率的趋势路径，

-从针对每个频率假设所选择的所有路径中确定具有最强能量的路径(3)为最可能路径且对应于接收机要跟随的真实路径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对每个初始频率假设，通过考虑由位于接收机内的至少一个惯性传感器(14)发送的信息来确定信号的频率的可能趋势路径。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由所述惯性传感器(14)发送的信息在基于所述传感器的特性所建立的误差框(1)内考虑。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当由所述传感器发送的信息在两次测量时刻之间的变化低于预定变化阈值时，则确定所述接收机在所述两次测量时刻之间未移动，则假设频率在积分期间是稳定的。

Images