CN101213471B - 用于为组合的导频和数据信号跟踪提供优化接收机架构的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于接收机的系统架构，以处理来自卫星的公共载波频率上的多个信号。该接收机被设置成使接收机接收从卫星传输的输入数据。利用相关信道从输入数据中跟踪导频信号，并且利用可操作性地连接到该相关信道的数据代码发生器从输入数据中跟踪数据信号。在本发明的一种实施例中，数据信号发生器产生针对数据信号的复制代码。在本发明的另一种实施例中，系统可以基于传入信号的信噪比而在数据信号发生器和导频信号发生器之间进行切换。

Description

用于为组合的导频和数据信号跟踪提供优化接收机架构的系统和方法

技术领域

本发明通常涉及用于全球导航卫星系统的接收机。更具体地，本发明涉及用于全球导航卫星系统接收机的硬件配置。

背景技术

卫星导航基于卫星的全球网络，其中卫星在地球轨道中从几千英里处发射信号。许多不同的全球导航卫星系统(GNSS)或者已经被推出，或者处于研究的高级阶段。例如，Galileo为GNSS系统的一个例子，其在民用控制下最终将提供高度精确的、有保证的全球定位服务。预期Galileo将可以与其它的全球卫星导航系统共同使用，诸如基于美国的全球定位系统(GPS)和基于俄罗斯的全球轨道导航卫星系统(GLONASS)。

在GNSS诸如Galileo中(当可利用时)，用户能够使用他的或者她的接收机通过利用任意组合的任何卫星来计算接收机的位置。期望诸如Galileo这样的系统将能够提供以米计量的实时定位精度。

新提出的GNSS系统，诸如Galileo以及现代化的GPS，将使用两种独立的信号。一种信号，在本文中称为导频信号，被用于提供良好的获取和跟踪性能。另一信号，在本文中称为数据信号，被用于携带卫星数据消息。GNSS接收机需要拥有接收这两种信号的能力，以便令人满意地进行操作。导频信号被用于有效的获取和低信噪比(SNR)的跟踪。数据信号被用于接收导航所需的卫星数据消息。应当注意，尽管接收机需要包含在卫星数据消息中的信息，但它不介意如何来获得信息。例如，辅助的GNSS系统可以利用其它通信形式来获得数据。然而，如果希望单独使用接收机(即，无任何辅助来源)，那么当单独操作时，它确实需要获得数据消息。独立的性能经常是GNSS接收机所需要的特性。

如果所关注的GNSS系统具有独立的导频和数据信号，则GNSS卫星在公共载波频率上传输导频和数据信号。导频信号和数据信号被设计成使接收机可以区分这两种信号。GNSS接收机需要能够接收来自用于特定传输的每一卫星的这两种信号，即使接收不需要为同时进行的。然而，接收两种单独的信号的需要使接收机所需的硬件更大。硬件尺寸也直接与产品的成本相连。为了解决这个问题，需要更加有效的接收机架构，其使硬件的复杂性最小化。

常规的GNSS系统不使用单独的导频和数据信号。当前，GPS粗/捕获(C/A)代码和精/加密(P/Y)代码可以被视为分别有点类似于导频信号和数据信号，但所述配置一般不可用于商业的GPS接收机。在过去，能够进行P/Y-代码的GPS接收机已经实行了完全分离的硬件以接收C/A代码和P/Y代码。然而，这涉及到实质上复制所涉及的硬件，其增加了产品的复杂性和成本。尽管一些军事级别的接收机可以不使用C/A代码就直接获得P/Y代码，但这需要甚至更昂贵的接收机硬件。

图1显示了一种典型的常规GNSS接收机相关信道，被用于跟踪一个卫星信号(数据信号或导频信号)。为了获得较小的硬件配置或者较高的性能水平，存在几种变形。图2显示了两个所述的信道可以如何被使用，以便使用来自一个卫星的导频和数据信号，从而使对于每一卫星所需的硬件尺寸加倍。在该设置中，用于导频信号的相关器信道被用于测量数据，而用于数据信号的相关器信道被用于消息数据。“测量数据”指接收机产生的关于信号时续的测量数据。该数据被用在接收机内的位置和速度计算过程中。该数据典型地包括：代码相位信息、载波相位信息以及代码和载波频率信息。

在常规的GPS实施中，C/A代码和P/Y代码是不同的，并且需要不同的处理速率，从而使利用公共处理信道来实现接收两种信号是不具成本效益的。

发明内容

本发明提供了一种用于有效地降低为能够在GNSS接收机中接收导频信号和数据信号而需要的硬件复杂性的系统和方法。在本发明的一种实施例中，来自导频信号的信息被用于跟踪来自卫星的两种信号，使得对于有效的操作而言仅需要对数据信号进行解调。本发明的第二实施例涉及实施仅一个硬件信道以交替地跟踪导频信号和数据信号二者。在这种情况下，为了卫星获取而使用导频信号，而为了高信噪比跟踪，使用数据信号。导频信号用于低信噪比跟踪。

本发明的系统和方法提供了一种用于使接收机能够利用最少的硬件接收来自GNSS卫星的导频和载波信号二者的方案。在来自导频信号的信息被用于跟踪来自卫星的两种信号的情况下，通过使用一些附加的硬件，存在最小的性能代价。在单个硬件信道交替地跟踪导频信号和数据信号二者的情况下，在能够仅使用数据信号的接收机上根本无硬件尺寸的增加，尽管与同时接收两种信号的接收机相比牺牲了一些性能。然而，这种性能基本上仍然要比利用仅跟踪数据信号的那些接收机所获得的性能好。仅跟踪导频或数据信号简化了软件。使用较少的硬件也减少了接收机的功耗。

通过下面的详细说明，当结合附图进行考虑时，本发明的这些和其它的优势和特征以及其结构和操作方式都将会变得很明显，其中，贯穿下面描述的几副图，相同的元件具有相同的数字标记。

附图说明

图1是用于跟踪单个卫星信道的常规GNSS接收机相关信道的示意图；

图2是示出了两个接收机相关信道可以如何被用来从卫星接收导频信号和数据信号二者的示意图；

图3是根据本发明一种实施例包括优化的导频和数据信号跟踪信道的优化接收机架构的示意图；

图4是根据本发明另一实施例的动态导频和数据信号切换系统的示意图；

图5是示出了本发明可以实施于其中的通用接收机和卫星系统的示意图；以及

图6是根据本发明一个实施方式构造的定位接收机的示意图。

具体实施方式

本发明提供了用于有效地降低为能够在GNSS接收机中接收导频信号和数据信号二者而需要的硬件复杂性的系统和方法。图5示出了本发明在其中运行的系统的通用视图。如图5所示，在一给定时刻，接收机500位于地球510上的特定位置，并且多个卫星520在地球510的轨道上运行。每个卫星520都能够发射信息到接收机500，接收机500可能在辅助机构530的帮助下可以接收多个信号。

根据本发明一种实施例的典型接收机的电路显示在图6的简化框图中。图6的电子设备1例如包括定位接收机2和通信机构3诸如天线。如果必要的话，电子设备1可以利用该通信机构3与通信网络诸如移动通信网络进行通信。此外，电子设备1包括控制模块5，其可以包括处理器MCU和/或数字信号处理器DSP。为了便于使用，在本发明的一种实施例中，电子设备1设有至少一个用户界面6，包括显示器7、键盘8和音频系统部件9a、9b、9c。为了储存数据和应用软件，电子设备1设有存储器单元10。各电路和元件都是本领域公知的类型，例如在Nokia范围的移动电话。本发明的接收机500可以结合在诸如移动电话的设备内。本发明也可以结合到各种其它设备内。

如先前所讨论的，图1是用于跟踪单个卫星信道的常规GNSS接收机相关信道100的示意图。来自模数转换器(未示出)的输入数据被输入到该相关信道100。该数据进入初始乘法器105以及早期乘法器107、后期乘法器109和即时乘法器111。在进入这些乘法器后，数据分别进入到相应的早期积分清零(integrate-dump)模块113、后期积分清零模块115和即时积分清零模块117。每一对乘法器和积分清零模块运行以对信号进行相关，其随后被传输，用于接下来的载波跟踪和数据提取110以及代码跟踪120。典型地，在接收机500的软件中执行载波跟踪和数据提取110以及代码跟踪120二者。载波跟踪和数据提取110最终产生要使用的消息数据，而载波跟踪和数据提取110以及代码跟踪120的组合产生了要使用的测量数据。相关信道100还包括载波数控振荡器(NCO)130，以及代码NCO140。代码NCO140为代码发生器150产生代码速率时钟信号。来自代码发生器150的代码随后被馈送到包括多个延迟元件160的延迟线，其组成了所产生的用于随后相关的代码的早期、晚期和即时版本。

在图3中描述了本发明的一种实施例。图3示出了一种优化和组合的接收机相关信道架构300，可用于同时接收数据。在该优化的接收机相关信道架构300中，已经实施了一个完全相关信道310。该相关信道310类似于在图1中描述的相关信道100。相关信道310被用于跟踪导频信号。导频代码发生器315被用于基于从代码NCO140接收的代码速率时钟信号而产生导频数据代码。

此外，图3的优化接收机架构300包括数据信号复制代码发生器320。通过将传入信号乘以正确排列的本地产生的复制代码而从接收的信号中去除或擦除该代码。数据信号乘法器325和数据积分清零模块335用于形成代码相关的数据信号。模块330对代码相关的数据信号执行解调、符号化和帧同步，以便恢复其信号正在被接收的卫星520所发射的消息数据340。数据信号复制代码发生器320可以被相关联的导频信号跟踪回路350控制，这是由于利用单频参考在卫星520上产生了信号，并且两种信号的载波频率相同(导致了同样的大气延迟)。如果稍微不同的载波频率被用于导频和数据信号，也将产生载波的两个复制品。可以利用与复制代码所使用的相同概念而产生这些载波。在本发明的该实施例中，来自导频信号的信息被用于跟踪来自相应卫星520的导频信号和数据信号二者。在该系统中，只需要对数据信号进行解调，并且用于跟踪数据信号的硬件不是必要的。

在图4中描述了本发明的第二实施例。图4的架构400类似于图3所示的实施例，包括独立的数据信号复制代码发生器320和导频代码发生器315，带有一个相关信道，其基本上与图1的相关信道相同。然而，在图4所示的实施例中，用于数据信号的独立相关器不是必要的。软件可控制开关430在导频和数据代码之间进行选择。也应当注意，独立的数据信号复制代码发生器320和导频代码发生器315以及软件可控制开关430可以构建到单个可配置的代码发生器中。再次，如果使用了稍微不同的载波频率，则还需要两个可切换的载波复制发生器。跟踪软件观察跟踪期间的信号电平。这也可以通过使用跟踪硬件而完成。如果电平高到足以允许解码数据信号中的数据比特，则切换跟踪。切换可以在工作时(on the fly)进行，这是由于利用单频参照在卫星520上产生了信号，并且两种信号的载波频率相同(导致了同样的大气延迟)，并且载波和代码相位二者在任一信号的跟踪期间的所有时刻对于导频和数据信号二者而言均是已知的。在由于前述原因而未被使用时，也可能完全关闭未被使用的代码发生器，以节省运行接收机所需的能量。监测信号电平随时都在继续，并且如果信号电平下降到低于用于可靠数据解码的阈值，则跟踪切换回导频信号。如果数据消息由于一些原因而不需要时，例如，由于全部的消息已经被下载，或者由于接收机520已经通过另一部件诸如辅助部件而接收到相同的数据，那么当信号电平为高时，也可能切换回导频信号。

当接收机500开始寻找卫星信号时，不需要数据信号接收部件，这是由于导频信号已经被设计成具有高级获取性能。利用低信噪比，数据消息不能被接收，这是由于接收需要某一信噪比(SNR)，其高于用于跟踪的SNR阈值。再次，根本不需要数据信号接收能力。对于正常的GNSS操作，由于室内和市区峡谷条件的需要，低SNR日益普遍化。在许多情况下，GNSS接收机500也可以通过更强健的通信信道作为辅助机构530来获得卫星数据消息，其也使得接收数据信号的需要变为不必要。然而，如果接收机500需要在“正常的”条件下(即信号电平相对较高)以单机模式运行，则需要接收数据信号以允许接收机500产生位置信息到用户。另一方面，在所述情况下，在获取后利用数据信号来跟踪可以提供几乎与使用导频信号时一样好的测量结果；因此，在所述情况下，导频信号是不需要的。这样，在某一时刻能够接收两种信号中的一种就已足够，但仍然需要接收两种信号的能力。

在方法步骤的一般情况下描述了本发明，其在一种实施例中可以由程序产品执行，该程序产品包括由网络化环境中的计算机执行的计算机可执行指令，例如程序代码。

通常，程序模块包括例程、程序、对象、组件、数据结构等，其完成特定的任务或者实施特定的抽象数据类型。计算机可执行的指令、相关的数据结构和程序模块代表了用于执行本文描述的方法步骤的程序代码的例子。所述可执行指令或相关数据结构的特定顺序代表了用于实施在所述步骤中描述的功能的相应动作的例子。

本发明的软件和web实施可以利用标准的编程技术而实现，其中该编程技术具有基于规则的逻辑和其它逻辑以完成各种数据库查找步骤、相关步骤、比较步骤和决定步骤。也应当注意，在这里和在权利要求中使用的单词“部件”和“模块”旨在于涵盖利用一行或多行软件代码的实施，和/或硬件实施，和/或用于接收人工输入的设备。

出于进行解释说明和描述的目的，提供了对本发明实施例的以上描述。不希望其为排除性的或者将本发明限制到所公开的确切形式中，并且鉴于上面的教导进行修改和变形是可能的，或者这些修改和变形可以从实施本发明中获得。实施例被选择和描述，以便解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够在各种实施例中以及通过适用于所构想的特定使用的各种修改来使用本发明。

Claims (11)

1.一种利用接收机来处理全球导航卫星系统的公共载波频率上的多个信号的方法，包括：

使所述接收机接收从所述卫星传输的输入数据；

如果所述输入数据的信噪比不满足或不超过预定的阈值，则使用第一代码发生器利用所述输入数据中的第一信号来跟踪所述输入数据；以及

如果所述输入数据的信噪比满足或超过所述预定的阈值，则使用第二代码发生器利用所述输入数据中的第二信号来跟踪所述输入数据，

其中，所述接收机能够基于所述输入数据的信噪比而在所述第一代码发生器和所述第二代码发生器之间进行切换。

2.根据权利要求1的方法，还包括步骤：如果所述接收机已经下载了包含在所述输入数据内的消息数据，则使用所述第一代码发生器来跟踪所述输入数据。

3.一种利用接收机来处理全球导航卫星系统的公共载波频率上的多个信号的设备，包括：

用于使所述接收机接收从所述卫星传输的输入数据的装置；

用于如果所述输入数据的信噪比不满足或不超过预定的阈值，则使用第一代码发生器利用所述输入数据中的第一信号来跟踪所述输入数据的装置；以及

用于如果所述输入数据的信噪比满足或超过所述预定的阈值，则使用第二代码发生器利用所述输入数据中的第二信号来跟踪所述输入数据的装置，

其中，所述接收机能够基于所述输入数据的信噪比而在所述第一代码发生器和所述第二代码发生器之间进行切换。

4.根据权利要求3的设备，还包括：用于如果所述接收机已经下载了包含在所述输入数据内的消息数据，则使用所述第一代码发生器来跟踪所述输入数据的装置。

5.一种用于处理来自卫星的公共载波频率上的多个信号的接收机，包括：

第一代码发生器，其位于相关信道内，该第一代码发生器被配置成跟踪来自输入数据的第一信号；以及

第二代码发生器，其可操作性地连接到所述第一代码发生器，该第二代码发生器被配置成跟踪来自所述输入数据的第二信号，

其中，如果所述输入数据的信噪比不满足或不超过预定的阈值，则所述第一代码发生器利用所述输入数据中的所述第一信号来跟踪所述输入数据，并且其中，如果所述输入数据的信噪比满足或超过所述预定的阈值，则所述第二代码发生器利用所述输入数据中的所述第二信号来跟踪所述输入数据。

6.根据权利要求5的接收机，其中，接收机能够基于所述输入数据的信噪比而在所述第一代码发生器和所述第二代码发生器之间进行切换。

7.根据权利要求5的接收机，其中，所述第二信号被用于计算针对所述接收机的位置信息。

8.根据权利要求5的接收机，其中，所述第二信号被用于向所述接收机的用户提供通信信息。

9.根据权利要求5的接收机，其中，所述第二代码发生器向相关器传送针对所述第二信号的复制代码，并且其中，所述相关器解扩所述第二信号。

10.一种包括GNSS接收机的移动电话，包括：

处理器；

存储器单元，其可操作性地连接到所述处理器；

第一代码发生器，被定位在相关信道内，所述第一代码发生器被配置成跟踪来自输入数据的第一信号；以及

第二代码发生器，其可操作性地连接到所述第一代码发生器，所述第二代码发生器被配置成跟踪来自所述输入数据的第二信号，

其中，如果所述输入数据的信噪比不满足或不超过预定的阈值，则所述第一代码发生器利用所述输入数据内的所述第一信号来跟踪所述输入数据，并且其中，如果所述输入数据的信噪比满足或超过所述预定的阈值，则所述第二代码发生器利用所述输入数据中的所述第二信号来跟踪所述输入数据。

11.根据权利要求10的移动电话，其中，所述接收机能够基于所述输入数据的信噪比而在所述第一代码发生器和所述第二代码发生器之间进行切换。

Images