CN101498784A - 用于跟踪卫星信号的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于跟踪卫星信号的设备包括跟踪模块，被配置为通过跟踪从卫星接收的卫星信号而生成基于卫星的测量结果。该跟踪模块包括多个子跟踪模块。每一子跟踪模块被配置为通过使用不同积分时间生成所述基于卫星的测量结果。通过根据卫星信号的动态特性的改变跟踪卫星信号，可快速执行信号重新捕获，并可获得具有高可靠性的位置解析度。

Description

用于跟踪卫星信号的设备和方法
技术领域
本发明涉及信号跟踪，并更具体地，涉及用于跟踪卫星信号的设备和方法。
背景技术
作为用于使用漂浮在太空中的人造卫星网络来精确跟踪地面上的目标的地点的系统的全球卫星导航系统(GNSS)指的是美国国防部操作的一般全球定位系统(GPS)、欧盟正开发的伽利略定位系统、俄罗斯操作的全球导航卫星系统(GLONASS)等。大量采用GNSS来捕获飞行器、交通工具、船等的地点，并且GNSS也适于例如移动通信导航信息系统(telematics)等的信息技术。
典型地，作为使用在太空中沿轨道飞行的卫星提供地点信息的卫星导航系统的GPS在早期被建立用于军事目的，并且自从在2000年去除了选择可用性(即，人为噪声)以来，GPS已在各种领域中被广泛采用。GPS卫星通过使用码分多址(CDMA)方案共享具有不同代码的频带。
GPS接收机通过使用来自至少三个卫星的信号来测量其地点。向单个卫星分配单个跟踪模块，以捕获测量结果。测量结果是基于卫星信号捕获的数据，其可以是地球上的三维直角坐标数据，例如x、y和z，或者是用于确定直角坐标的数据。传统上，GPS接收机包括12或16个跟踪模块。
为了增强GPS接收机的可靠性，用于跟踪卫星信号的跟踪模块的性能是关键的。由于GPS接收机的移动引起的多普勒效应或视距(LOS)改变，可严重改变卫星信号的强度。如果跟踪模块未能正确跟踪这样的卫星信号的改变，则捕获测量结果的成功率将急剧下降。如果跟踪模块的信号灵敏度降低，则卫星信号的可测量强度可降低，使得不能获得测量结果。相反，如果信号灵敏度增加，则测量错误可增加。
所以，寻求可满足根据卫星信号改变的动态特性和信号灵敏度两者的跟踪卫星信号的方法。
发明内容
本发明提供了能够应付卫星信号的动态特性改变的用于跟踪卫星信号的设备和方法。
本发明还提供了能够应付卫星信号的动态特性改变的GPS接收机。
在一方面，提供了用于跟踪卫星信号的设备。该设备包括跟踪模块，被配置为通过跟踪从卫星接收的卫星信号来生成基于卫星的测量结果，该跟踪模块包括多个子跟踪模块，其中每一子跟踪模块被配置为通过使用不同积分时间来生成基于卫星的测量结果。
在一些实施例中，子跟踪模块可包括被配置为通过使用积分时间累加卫星信号而生成相关信号的累加器、和被配置为从该相关信号生成基于卫星的测量结果的跟踪环。该子跟踪模块还可包括：载波去除器，被配置为从该卫星信号中去除已由该卫星施加的载波；和代码去除器，被配置为从该去除载波的信号中去除已由该卫星施加的代码，其中该累加器被配置为从该去除代码的信号生成相关信号。该跟踪环可被配置为输出用于控制该载波去除器和该代码去除器的控制信号，以锁定该卫星信号。当所测量的卫星信号的信号强度低于阈值时，该跟踪环可被配置为通过使用其它子跟踪模块测量的卫星信号来输出用于控制该载波去除器和该代码去除器的控制信号。
所述多个子跟踪模块可具有关于卫星信号的每一不同信号灵敏度。当该卫星信号的信号灵敏度变高时，每一子跟踪模块的积分时间可缩短。当该卫星信号的动态特性的灵敏度变高时，每一子跟踪模块的积分时间可缩短。可根据该卫星信号的同步的捕获，来依次设置每一子跟踪模块的每一积分时间。
在另一方面，提供了一种用于跟踪卫星信号的方法。该方法包括：从卫星接收卫星信号；和通过基于每一不同的积分时间对卫星信号进行积分，来跟踪卫星信号。
在一些实施例中，所述接收卫星信号的步骤可包括：从该卫星信号中去除已由该卫星施加的载波；和从该去除载波的信号中去除已由该卫星施加的代码。所述跟踪卫星信号的步骤可包括：通过使用每一不同的积分时间对该卫星信号进行积分，来生成多个相关信号；和当在所述多个相关信号中存在已丢失了该卫星信号的相关信号时，通过使用其它剩余相关信号来跟踪该卫星信号。
在另一方面，提供了一种全球定位系统(GPS)接收机。该GPS接收机包括：多个跟踪模块，被配置为跟踪从多个GPS卫星接收的多个卫星信号以生成基于卫星的测量结果，每一跟踪模块跟踪每一GPS卫星，和卫星处理器，被配置为从所述基于卫星的测量结果获得位置解答(solution)。所述多个跟踪模块中的至少一个包括：第一子跟踪模块，被配置为通过使用第一积分时间来跟踪从GPS卫星接收的卫星信号；和第二子跟踪模块，被配置为通过使用第二积分时间来跟踪从GPS卫星接收的卫星信号。
通过根据卫星信号的动态特性的改变跟踪卫星信号，可快速执行信号重新捕获，并可获得具有高可靠性的位置解析度。由此，可增强GPS接收机的可靠性。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的GPS接收机的配置的示意框图。
图2是示出了图1的子跟踪模块的配置的示意框图。
图3是示出了子跟踪模块的实现的示例的示意框图。
图4是图示了用于设置积分时间的方法的流程图。
图5是图示了用于跟踪卫星信号的方法的流程图。
具体实施方式
可将用于跟踪卫星信号的方法和设备应用用于通过使用从人造卫星接收的卫星信号来确定地点的全球卫星导航系统(GNSS)或通过使用卫星信号来提供多媒体服务的系统。GNSS可使用全球定位系统(GPS)、伽利略定位系统、全球导航卫星系统等的任何卫星。在本公开中，GPS卫星指的是向地面提供卫星信号的卫星，而不限于为任何特定系统应用的卫星。
图1是示出了根据本发明实施例的GPS接收机的配置的示意框图。
参考图1，GPS接收机100包括射频(RF)单元120、多个跟踪模块130到150、和卫星处理器190。
RF单元120应用经由GPS天线110接收的多个GPS卫星的复合信号。相应跟踪模块130到150跟踪相应GPS卫星的信号。跟踪模块130到150中的每一个跟踪单个卫星的卫星信号。跟踪模块130到150中的每一个包括三个子跟踪模块。更具体地，第一跟踪模块130包括三个子跟踪模块130-1、130-2和130-3，第二跟踪模块140包括三个子跟踪模块140-1到140-3，而第三跟踪模块150包括三个子跟踪模块150-1到150-3。
跟踪模块130到150中的每一个是输出基于卫星的测量结果的卫星跟踪装置。基于卫星的测量结果是通过跟踪卫星信号得到的测量结果。基于卫星的测量结果可包括用于捕获卫星信号的信号强度的信息和/或用于捕获GPS接收机100的位置解答的信息。卫星处理器190基于所述基于卫星的测量结果来确定位置解答。所确定的位置解答可用于路程(route)(路线(course))数据等。
尽管非常传统的是跟踪3到12个卫星并所以使用1到12个跟踪模块，但是为了清楚而在这里示出了仅三个跟踪模块。GPS接收机中包括的跟踪模块的数目并不必须受到限制。
尽管跟踪模块包括三个子跟踪模块，但是跟踪模块中的子跟踪模块的数目没有限制。跟踪模块可包括多个子跟踪模块。多个跟踪模块可包括相同数目的子跟踪模块或不同数目的子跟踪模块。例如，第一跟踪模块包括三个子跟踪模块，而第二跟踪模块包括四个子跟踪模块。
相应跟踪模块130到150跟踪用于单个卫星的卫星信号，因而它们的操作和功能相同。在以下描述中，将作为示例详细描述第一跟踪模块130。
跟踪模块130中的三个子跟踪模块130-1到130-3通过使用不同的积分时间来跟踪卫星的卫星信号。积分时间是用于积分(或累加)的持续时间。例如，第一子跟踪模块130-1可按照与粗捕获(C/A)码的时间段对应的1ms的积分时间执行积分。第二子跟踪模块130-2可按照与数据比特的时间段对应的20ms的积分时间执行积分。第三子跟踪模块130-3可按照20ms或更多的积分时间(例如，20ms到100ms)执行积分。
可根据卫星信号的同步的捕获，对于子跟踪模块130-1到130-3依次设置不同的积分时间。当子跟踪模块130-1到130-3在早期接收到卫星信号时，它们全部开始1ms积分时间的积分。当捕获到比特同步时，第一子跟踪模块130-1继续按照1ms积分时间执行积分，而第二和第三子跟踪模块130-2和130-3按照20ms积分时间执行积分。其后，当捕获到帧同步时，第三子跟踪模块130-3按照大于20ms的积分时间执行积分。比特同步指的是基于通过以1ms的时间单位执行积分获得的结果值来搜索数据比特的转变位置、并在对应位置处开始操作。
具有每一不同积分时间，子跟踪模块130-1到130-3具有每一不同的信号灵敏度。这意味着每一子跟踪模块130-1到130-3可跟踪的信号强度不同。例如，第一子跟踪模块130-1可跟踪最高-145dBm的卫星信号，第二子跟踪模块130-2可跟踪最高-153dBm的卫星信号，而第三子跟踪模块130-3可跟踪最高-160dBm的卫星信号。
图2是示出了图1的子跟踪模块的配置的示意框图。
参考图2，子跟踪模块200包括载波去除器210、代码去除器220、累加器230、和跟踪环240。
载波去除器210从卫星信号201中去除载波。卫星信号201包括已由卫星施加并与其合并的载波，从而载波去除器210从卫星信号201中去除与卫星所施加的载波相同的载波。代码去除器220通过使用卫星向卫星信号201施加的代码的拷贝，而从去除了载波的信号211中去除代码。载波去除器210和代码去除器220基于跟踪环240提供的控制信号242生成载波和代码。
累加器230在积分时间中对从代码去除器220输出的信号221进行累加(积分)，并输出相关信号231。
跟踪环240通过使用该相关信号231生成基于卫星的测量结果。另外，跟踪环240根据卫星信号的改变生成控制信号242，并将控制信号242提供到载波去除器210和代码去除器220。因为卫星信号由于多普勒效应等已发生失真，所以控制信号242控制载波去除器210所施加的载波和代码去除器220所施加的代码，以补偿失真。跟踪环240生成控制信号242，使得在已传送了卫星信号201的卫星所施加的代码和代码去除器220所处置的代码之间没有延迟，并还生成控制信号242使得卫星信号201的载波的频率和相位与处置的载波的频率和相位可相同。这被称为卫星信号201的锁定。为了锁定卫星信号201，跟踪环240可应用用于载波跟踪的锁频环(FLL)或锁相环(PLL)，并应用用于代码跟踪的延迟锁定环(DLL)。
图3是示出了子跟踪模块的实现的示例的框图。载波去除器210包括载波发生器215和载波混频器217和218。载波发生器215生成这样的载波，该载波的频率根据来自跟踪环240的控制信号242而变化。载波混频器217和218通过对接收的卫星信号201和生成的载波进行混频，而去除由已传送了卫星信号201的卫星所施加的载波。在该情况下，提供这两个载波混频器217和218，以便通过将载波的相位划分为I相位和Q相位而去除载波。
代码去除器220包括代码发生器222、代码时钟发生器223、和多个混码器224、225、226、227、228和229。代码时钟发生器223根据来自跟踪环240的控制信号242生成时钟信号。代码发生器222根据来自跟踪环240的控制信号242和时钟信号而生成代码。更详细地，代码发生器222生成针对载波的相位(即，I相位和Q相位)的一个码片内的延迟的准时(P)代码、以及早(E)代码和迟(L)代码。多个混码器224到229通过使用已由代码发生器222生成的代码来从卫星信号中去除代码。
累加器230在积分时间中累加从代码去除器220输出的信号，并输出相关信号。累加器230生成的相关信号可以是积分时间期间的I相位信号与P、E和L代码之间的相关性以及Q相位信号与P、E和L代码之间的相关性的结果。累加器230可包括与代码去除器230中包括的混码器224到229的数目对应的累加器230-1、230-2、230-3、230-4、230-5和230-6。
返回参考图1，可将积分时间设置为对于每一子跟踪模块不同，并且子跟踪模块的累加器在预先设置的积分时间中执行累加(积分)。尽管三个子跟踪模块130-1到130-3之一丢失了卫星信号，但是对应的子跟踪模块可通过使用从其它子跟踪模块输出的数据而继续更新控制信号。如果子跟踪模块130-1到130-3的信号灵敏度被设置为不同，则具有最好信号灵敏度(即，好信号灵敏度)的第一子跟踪模块130-1可首先丢失该卫星信号。在该情况下，具有比较不好信号灵敏度的剩余子跟踪模块130-2和130-3可仍然跟踪卫星信号。第一子跟踪模块130-1可通过使用其它剩余子跟踪模块130-2和130-3的跟踪信号，来继续更新控制信号。如果第一子跟踪模块130-1根据形势改变再次捕获了卫星信号，则第一子跟踪模块130-1可立即识别信号捕获搜索范围，从而可降低信号重新捕获时间。
因为这三个子跟踪模块130-1到130-3使用每一不同的积分时间，所以尽管子跟踪模块之一丢失了信号，但是可通过使用从其它剩余子跟踪模块输出的数据来继续更新已丢失了信号的对应子跟踪模块的控制信号，由此降低信号重新捕获时间。
如果接收的卫星信号的信号强度(例如，信噪比(SNR))低于阈值，则每一子跟踪模块可确定信号失踪(missing)(即，信号已丢失)。随着积分时间缩短，可接收信号的信号强度的阈值降低，从而卫星信号可频繁丢失。
图4是图示了用于设置积分时间的方法的流程图。
参考图4，在步骤S410中，对于子跟踪模块130-1到130-3设置(配置)相同积分时间(例如，1ms)。
在步骤S420中，在子跟踪模块130-1到130-3以1ms的相同积分时间开始之后，当将积分结果(即，相关值)传递到每一跟踪环时，每一跟踪环基于积分结果执行比特同步。相应子跟踪模块130-1到130-3基于积分结果区分数据比特的位置。例如，可通过接收数据中出现的从0到1和从1到0改变的锁相环的方法来区分比特的位置。
在步骤S430中，利用维持为1ms的第一子跟踪模块130-1的积分时间，第二和第三子跟踪模块130-2和130-3的每一积分时间改变为20ms，即数据比特时间段。因此，第一子跟踪模块130-1按照1ms的积分时间执行积分，而第二和第三子跟踪模块130-2和130-3按照20ms的积分时间执行积分。
在步骤S440中，第三子跟踪模块130-3执行帧同步，以基于输出的积分结果确定是否捕获了一个帧数据。
在步骤S450中，当捕获了帧同步时，第三子跟踪模块130-3的积分时间改变为多于20ms。
结果，在捕获了一个帧比特之后，第一子跟踪模块130-1按照1ms的积分时间执行积分，第二子跟踪模块130-2按照20ms的积分时间执行积分，而第三子跟踪模块130-3的积分时间按照多于20ms的积分时间执行积分。由此，因为第二子跟踪模块130-2比第一子跟踪模块130-1具有更长的积分时间，所以即使在差信号灵敏度的区域中，它也不能丢失信号。另外，第三子跟踪模块130-3比第二子跟踪模块130-2具有更长的积分时间，从而它具有更好的信号灵敏度。
当用户的移动性高时，具有1ms积分时间的第一子跟踪模块可比其他子跟踪模块做得更好。在其中用户的速度/加速度高的环境中，长积分时间可导致丢失卫星信号。通过使用具有不同积分时间的多个子跟踪模块，可在经受高加速度的环境中跟踪卫星信号。
图5是图示了用于跟踪卫星信号的方法的流程图。假设第一子跟踪模块130-1按照1ms的积分时间执行积分，第二子跟踪模块130-2按照20ms的积分时间执行积分，而第三子跟踪模块130-3的积分时间按照多于20ms的积分时间执行积分。
在步骤S510中，子跟踪模块130-1到130-3使用卫星信号的信号强度检查卫星信号是否失踪。信号强度可以是SNR，并且如果信号强度低于某一值，则可确定卫星信号失踪。
在步骤S520中，已丢失了卫星信号的子跟踪模块使用其它子跟踪模块的相关信号来更新控制信号。即，如果GPS接收机位于其中信号灵敏度不好的区域中，则第一子跟踪模块130-1可首先丢失该卫星信号。然后，第一子跟踪模块130-1可通过其它子跟踪模块(例如，第二子跟踪模块130-2和/或第三子跟踪模块130-3)捕获的信号，而继续更新用于生成载波和代码的控制信号。
在步骤S530中，第一子跟踪模块130-1确定是否已再次接收到卫星信号。如果所接收的卫星信号的信号强度高于某一值，则可确定已再次接收到卫星信号。
在步骤S540中，已再次接收到卫星信号的第一子跟踪模块130-1通过更新的控制信号立即应用来自所接收的卫星信号的合适载波和代码，而启动跟踪。如果第一子跟踪模块130-1通过重新接收的卫星信号生成了载波和代码，则所以将需要用于生成控制信号的时间。然而，因为第一子跟踪模块130-1使用已更新的控制信号，所以立即应用可以是可能的。由此，用于再次捕获卫星信号所需的时间可降低，并且可更快速地启动信号跟踪。
当卫星信号的动态特性突然改变时，单个卫星的单个跟踪模块的使用可增加丢失信号的可能性。由此，一个跟踪模块包括多个子跟踪模块，并且每一子跟踪模块具有每一不同的积分时间和/或信号灵敏度，由此根据其动态特性有效跟踪卫星信号。
通过根据卫星信号的动态特性的改变跟踪卫星信号，可快速执行信号重新捕获，并可获得具有高可靠性的位置解析度。由此，可增强GPS接收机的可靠性。
可利用硬件、软件或其组合实现本发明。在硬件实现中，可利用被设计为执行前述功能的专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微处理器、其它电子单元、及其组合之一，来实现本发明。在软件实现中，可利用用于执行前述功能的模块来实现本发明。软件可存储在存储单元中并由处理器运行。可使用本领域技术人员公知的各种部件作为存储单元或处理器。
尽管已参考本发明的示范实施例而具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可在这里进行形式和细节的各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。示范实施例应被考虑为仅描述含义而不是用于限制的目的。所以，本发明的范围不由本发明的详细描述限定，而由所附权利要求限定，并且该范围内的所有差别应被解释为包括在本发明中。

Claims (15)

1.一种用于跟踪卫星信号的设备，该设备包括：
跟踪模块，被配置为通过跟踪从卫星接收的卫星信号而生成基于卫星的测量结果，该跟踪模块包括多个子跟踪模块，其中每一子跟踪模块被配置为通过使用不同积分时间生成所述基于卫星的测量结果。
2.根据权利要求1的设备，其中该子跟踪模块包括：
累加器，被配置为通过使用积分时间累加卫星信号，而生成相关信号；和
跟踪环，被配置为从该相关信号生成所述基于卫星的测量结果。
3.根据权利要求2的设备，其中该子跟踪模块还包括：
载波去除器，被配置为从该卫星信号中去除已由该卫星施加的载波；和
代码去除器，被配置为从该去除载波的信号中去除已由该卫星施加的代码，
其中该累加器被配置为从该去除代码的信号生成相关信号。
4.根据权利要求3的设备，其中该跟踪环被配置为输出用于控制该载波去除器和该代码去除器的控制信号，以锁定该卫星信号。
5.根据权利要求4的设备，其中当所测量的卫星信号的信号强度低于阈值时，该跟踪环被配置为通过使用其它子跟踪模块测量的卫星信号，来输出用于控制该载波去除器和该代码去除器的控制信号。
6.根据权利要求1的设备，其中所述多个子跟踪模块具有关于卫星信号的每一不同信号灵敏度。
7.根据权利要求6的设备，其中当该卫星信号的信号灵敏度变高时，每一子跟踪模块的积分时间缩短。
8.根据权利要求1的设备，其中当该卫星信号的动态特性的灵敏度变高时，每一子跟踪模块的积分时间缩短。
9.根据权利要求1的设备，其中根据该卫星信号的同步的捕获，来依次设置每一子跟踪模块的每一积分时间。
10.一种用于跟踪卫星信号的方法，该方法包括：
从卫星接收卫星信号；和
通过基于每一不同的积分时间对卫星信号进行积分，来跟踪卫星信号。
11.根据权利要求10的方法，其中所述接收卫星信号的步骤包括：
从该卫星信号中去除已由该卫星施加的载波；和
从该去除载波的信号中去除已由该卫星施加的代码。
12.根据权利要求10的方法，其中所述跟踪卫星信号的步骤包括：
使用每一不同的积分时间对该卫星信号进行积分，以生成多个相关信号；和
当在所述多个相关信号中存在已丢失了该卫星信号的相关信号时，通过使用其它剩余相关信号来跟踪该卫星信号。
13.一种全球定位系统(GPS)接收机，包括：
多个跟踪模块，被配置为跟踪从多个GPS卫星接收的多个卫星信号以生成基于卫星的测量结果，每一跟踪模块跟踪每一GPS卫星；和
卫星处理器，被配置为从所述基于卫星的测量结果获得位置解答，
其中所述多个跟踪模块中的至少一个包括：
第一子跟踪模块，被配置为通过使用第一积分时间来跟踪从GPS卫星接收的卫星信号；和
第二子跟踪模块，被配置为通过使用第二积分时间来跟踪从GPS卫星接收的卫星信号。
14.根据权利要求13的GPS接收机，其中所述至少一个跟踪模块还包括：
第三子跟踪模块，被配置为通过使用第三积分时间来跟踪从GPS卫星接收的卫星信号。
15.根据权利要求13的GPS接收机，其中每一子跟踪模块包括：
累加器，被配置为通过使用积分时间累加卫星信号，而生成相关信号；和
跟踪环，被配置为从该相关信号生成基于卫星的测量值。
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