CN101946188A - 处理所接收的卫星无线电信号 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理所接收的卫星无线电信号的方法，其中，通过共用天线接收来自多个卫星的信号。所接收的信号被数字化以产生数字化信号样值的时间序列，并且获取表示多个卫星中的每个卫星的信号的多个复制品。从每个复制品中选择至少一个样值，并且将寄存器的单元设置成等于所选择的复制品样值。此后，依次对于每个所述数字化信号样值，将数字化信号样值的值与寄存器的单元的每个值组合，以产生相应的修改值；以及累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

Description

处理所接收的卫星无线电信号

技术领域

本发明一般涉及卫星导航系统，尤其涉及在能接收和处理卫星信号的无线电接收机内用软件或固件程序对数据样值的处理。

背景技术

卫星导航系统使用航空无线电导航系统(ARNS)和无线电导航卫星系统(RNSS)无线频带来提供受保护的测距信号，专用的无线接收机通过该测距信号来确定它的天线的位置。全球定位系统(GPS)就是所部署的全球导航卫星系统(GNSS)的一个例子。

GPS包括空间、控制和用户部分。空间部分包括多个轨道卫星(或者称为航天器，SV)，每个卫星发射若干测距信号，来自若干卫星的信号一起被用来确定在控制和用户部分内所用的许多接收机的位置。控制部分测量来自可见卫星星座的测距信号，并且使用这数据来确定星座内卫星的历史轨道。算法还使用每个卫星受到的力的信息来形成描述每个卫星不久将来的轨道工况的模型。轨道预测被变换成一组非常近似地描述轨道的参数。这些参数被发送给每个卫星，存储在卫星内部存储器内，供卫星以后在这些参数有效期内转发。每组轨道预测参数涉及这些参数以最小误差模拟的轨道的特定部分。这样的参数通常被称为星历参数。对于GPS和伽利略系统(另一个正在开发中的GNSS系统)，用改进的开普勒模型作为参数集的基础。

卫星还发送描述每个卫星所载有的原子钟的工况的时钟参数。卫星时钟相对GPS时间基准的漂移由包括卫星时钟时间相对GNSS系统的全球时间基准的偏移、漂移率和漂移加速参数的三参数模型描述。对于GPS来说，全球时间基准时间至少保存在时钟系综内，其中的一些时钟位于华盛顿DC的美国海军天文台。

作为本发明有关的GNSS系统的一个例子，下面将对GPS卫星导航系统的工作情况进行说明。在2007年10月，空间部分包括由27颗有源卫星构成的最小星座和一些有源备用卫星，总共31颗卫星。虽然卫星具有超过7年的设计寿命，但许多卫星达到较长的寿命才损坏得失去控制或不起作用。当前星座内的卫星的平均寿命大约为8.7年。这些卫星处在6个各与地球赤道平面成55°的轨道平面内。每颗卫星12个小时的恒星时间(不是地球的太阳时标)运行一周。在理想情况下，卫星会被定位成沿着每个轨道相隔均匀的角位置，即72°，但是实际上有源备用卫星通常有目的地被预先定位成靠近那些近期要失效的卫星。

GPS接收机通过计算卫星发送信号到在地球表面或接近地球表面的接收机接收到这信号之间的时间延迟来确定它们各自的位置。传输时间延迟(通过乘以无线电波的速度)提供了接收机与相应卫星之间的距离的良好近似。每个卫星广播呈现为直接序列扩频码形式的测距信号，用来标识卫星和承载在每个卫星内预先确定的初相(epoch)。初相是与卫星代码产生器跃迁到代码序列内特定状态关联的事件。初相用来标识信号的发送时间。接收机用初相来建立相对本地接收机时钟的接收时刻。

GPS卫星还广播含有每个卫星轨道的星历参数和卫星时钟校正参数的数据消息。数据消息包括标识卫星广播中特定事件的发送时间(按照卫星时钟)或可识别初相的时间消息(例如，在GPS内的所谓z计数)。这数据包括在粗/截获(C/A)消息内的转换字(Hand-Over Word，HOW)内。z计数标识了与下一个数据子帧开始处的数据比特跃迁相应的时刻。这个时间信号允许接收机无模糊地确定接收到这个事件的时间的时间标签。知道了每个信号的相应发送时间，接收机就可以确定到卫星的距离，虽然还要用星历数据来计算卫星在它发送它的信号时的位置。最后，接收机将对卫星位置的认识与所确定的距离相组合，计算出接收机的位置。

每个卫星发送作为对载波分量的二进制相移键控(BPSK)调制的测距信号。测距信号的特征为可以在接收机内产生复制品(在这里称为卫星码复制品)的已知持续时间的扩频码。对于扩频码的每个元，发送一个扩频码元，它的二进制符号由特定发送时间的扩频码的状态确定。扩频码元对于诸如GPS C/A码和GPS加密精确(P(Y))码之类的信号来说是一个矩形脉冲。新的信号包括所谓的L2CM/CL码和M码，对于这些新信号来说扩频码元是不同的。消息数据率(几十赫兹)与扩频码率(兆赫级)之间的巨大差异使得可以将相移键控同时用于对同一载波的两种调制。

对GPS信号的搜索和截获过程以及读出星历和时钟数据是费时的，并且在计算接收机的位置中引进延迟。此外，往往会有卫星信号被堵塞的情况，例如是由于建筑物或树叶的遮蔽而引起的，或者是由于在没有到任何卫星的直接视线的建筑物内进行操作而引起的。在这些情况下，所接收的信号电平可能太低，不能无误差地被解调和得出卫星数据。然而，即使在这些信号受到恶化的情况下，接收机通常也能对卫星信号进行跟踪。即使是载波功率与噪声功率密度之比(C/No)低，仍然可能测量时间的延迟。在这样的情况下，利用来自外部的星历和时间数据源(例如，通过双向无线或蜂窝通信链路所提供)的辅助数据，可以得出定位解。此外，通过从诸如以上所述的替代源接收数据消息的版本，可以减少截获卫星信号和解码出数据消息所需的时间。

GPS辅助措施需要外部知道的绝对时间的精度在1至10毫秒内，这样才能精确地确定卫星位置。许多无线通统不能提供这样的时间同步精度。例如，AMPS蜂窝电话系统就不支持时间信息，而北美的TDMA蜂窝电话系统(当前)也不支持时间信息。CDMA蜂窝系统支持时间辅助措施，因为每个基站以同步体制运行。CDMA系统用GPS接收机来提供同步CDMA系统的时间基准。GSM蜂窝电话系统能支援定时信息，只是要外加外部设备(定位信号测量单元，LMU)，因为基站是异步的。或者，增强的GPS(EGPS)利用基站时钟作为一旦被截获的GPS时间的储存库，提供在诸如GSM之类的异步系统内时间变换的解。已经表明，这些时钟的稳定性几乎无限期地提供了可接受的时间恢复。同时，EGPS允许每个移动台(MS)在网络内漫游而无需传送它自身的位置。如果需要的话，EGPS的测距能力允许确定MS的位置和校准先前未校准的基站时钟。

每个所发送的GPS信号都是一个直接序列扩频信号。当前，广播是在标为L1(1575.42MHz)和L2(1227.60MHz)的两个频率上进行的。其中一些信号已经可以民用，被称为标准定位服务。大部分在L1上可用，这些利用扩频速率为1.023MHz的扩频码。每个卫星发送各自的独特伪随机码(从一族所谓的Gold码中获取)，它标识了本卫星，并且使得从若干卫星同时发送的要被单个接收机同时接收的信号对任何一个由其他卫星发送的信号可以没有多少干扰。C/A伪随机数(PRN)码序列长度为1023个码片，与一段1毫秒的时间相应。每个所接收的GPS信号根据以1.023MHz的速率发送的1023个码片的重复PRN模式构建。在信号电平非常低的情况下PRN模式仍可以观察到，通过对许多个PRN帧的平均可以提供不模糊的时间延迟测量。接收机所测得的传输时间延迟称为“亚毫秒伪距”，因为它们已知为1毫秒的PRN序列帧界的模。

最少四个伪距再加上传输时间足以解出GPS接收机的位置。在GPS系统内，发送时间从卫星在以50Hz的数据率叠加在1.023MHz的PRN码上的导航消息内广播。这是一个BPSK数据流，数据比特跃迁与PRN帧的开始对准。每个数据比特周期刚好有20个PRN码帧。

卫星发送时间在传统的GPS接收机内通过读出GPS导航电文内的星期时间(TOW)数据确定。在标准的时间确定方法中，传统的GPS接收机解码出50Hz的数据流并与它同步。数据信号被安排成一些组成具有10个字的子帧的30比特字内，长度为300比特而持续时间为6秒。5个子帧组成一个有1500比特、持续时间为30秒的帧，而25个帧组成一个持续时间为12.5分钟的超帧。

GNSS接收机必须启动一个截获过程来建立描述所接收的卫星信号的状态的粗参数。通过使用信号跟踪回路，将这些参数用来初始化精度较高的信号参数估计。然后，将精度较高的参数用于导航解。传统上，这种处理用通常包括一排排相关器的专用硬件执行，以便在合理时间内完成截获过程。这样的硬件添加到诸如移动电话机之类的大量销售的终端上可以说是昂贵的。然而，这种处理的一些或全部也可以用在移动电话机内所配备的通用处理器执行。这样的实现的成功有决定性的是有效地利用了处理器设计，以最好地符合它的寄存器的长度、它的指令系统的特点和它的数据总线的容量。

在已知的现有技术中，例如在美国专利No.7,010,060(Ledvina等人)中，揭示了一种实时软件接收机，利用所谓的“按比特并行性”，以用在通用处理器上操作的数据截获和相关模块执行硬件相关、基带混频和PRN码相关这些功能。Ledvina等人揭示了一种产生含有来自可见GPS卫星的传输的接收信号的数字化信号样值的RF处理器。多个信号样值通过将它们序贯地置入计算机数据存储器的一个给定字再置入一些附加字同时予以处理。例如，如果这个计算机字具有32个比特，而数字化GPS信号样值已经用一个1比特的模拟-数字转换器(ADC)变换，于是在每个计算机数据存储字内可以顺序存储32个样值。卫星信号复制品的样值被制成表或者实时产生，并能加以检索，以提供迅速访问。按比特并行性节省了计算时间，因为允许将所需的操作，例如一组输入数据样值与所存储的卫星信号复制品之间的操作，作为两个字之间的操作来执行，而不是各个比特或样值执行。

在形成按比特并行性状态所需的算法中，还需要有一个复杂的寄存器分配算法集。此外，计算相关和必须用计算密集型方法来实现。需要进一步降低处理器负荷，因此，本发明的一个目的是消除或减轻许多这些任务的计算负担。

发明内容

按照本发明，所提供的一种处理所接收的卫星无线电信号的方法包括下列步骤：

通过共用天线接收来自多个卫星的信号；

数字化所接收的信号，以产生数字化信号样值的时间序列；

获取表示所述多个卫星中的每个卫星的信号的多个复制品；

从每个所述复制品中选择至少一个样值；

将寄存器的单元设置为等于所选择的复制品样值；以及

依次地，对于每个所述数字化信号样值，

将所述数字化信号样值的值与寄存器的单元的每个值组合，

以产生相应的修改值；以及

累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

本发明还包括处理所累加的值以确定共用天线的位置的步骤。

根据累加值确定共用天线的位置的方法在该技术领域内是众所周知的(例如，见“Global Positioning System：Theory and Applications Volumes 1&2”，Parkinson & Spilker，Eds.)。

本发明的优点是它提供了一种高效执行多个计算的方法，而且这是通过用每个数据样值逐个与多个卫星信号复制品样值并行计算来达到的。

卫星无线电信号由连接到硬件设备的天线接收，并且以数字或模拟形式，立即用在处理器上运行的软件或固件程序处理，或者存储在存储器内供以后处理。信号可以由诸如GPS或伽利略之类的GNSS定位系统的卫星发送。其他系统包括GLONASS、Bidou、QZSS、Compass等。硬件设备可以具有一个或多个模拟级，诸如通常在无线电接收机内可以看到的滤波器、放大器、混频器和振荡器之类。

所接收的信号的数字化可以在混频到基带后或在中频执行，也可以直接在所接收的射频执行。在该技术领域内，有许多任选方案来形成输入信号的数字化样值。一个这样的例子是使用采样频率为接近4倍中频的采样ADC，产生随后能予以分离的同相(I)和正交相(Q)样值流，从而将混频和数字化过程一起执行。数字化样值可以具有表示信号的一个或多个比特。在有些应用中，数字化器以第一采样率产生多比特样值，随后将这些多比特样值精度降低和抽取，从而以较低采样率产生只有一个或几个比特精度的样值。可以产生分别表示I和Q信号的独立数字数据流，可以使这些数字数据流保持独立或使它们交错，或者相反将它们合并成单个数据流。在一个特定应用中，每个I和Q的数据样值同时产生；在另一个应用中，单个数字化器通过在间隔四分之一周期的两个时刻进行采样而直接产生交错的I和Q样值。在具有足够的信号相位精度的其他实现中，单个样值流可以足以表示所接收的无线电信号。

无线电接收机还可以同时在多个频道上工作。例如，在GPS系统中，对L1和L2两个信号进行接收和采样可能是有益的。在其他一些卫星导航系统中，多频率工作也可以是可行的。本发明可以应用于民用和非民用信号，或者可以同时应用于民用和非民用信号。在GPS中，民用码通常被称为C/A码，具有每秒1.023M个样值的码片率。为特许或军用用户保留的GPS信号包括P或P(Y)和M码信号，具有快到5至10倍的码片率。

对卫星导航系统的接收机的要求之一是在接收信号与特定卫星的相应信号的复制品之间执行计算，诸如计算它们的互相关。在当前所有的GNSS系统中，需要测量多个卫星，以保证多元静态关联监测(multi-lateration)过程。因此，在这样的系统中必须使用多个卫星信号复制品。

以下数学表示例示了本发明的方法。设d_i表示在由{d_i}＝d₁，d₂，d₃，…等给出的接收信号样值的离散时间序列内第i个接收信号样值(“数据样值”)。设s_mn表示在第m个卫星的卫星信号复制品的样值的按时间排序的序列(即s_mn}＝s_m1，s_m2，s_m3，…s_mN，其中N为复制品内样值的总数)内第n个样值。使用C/A码和例如具有每隔半个码片一个样值的GPS接收机会有N＝2048。通常，所存储的样值的数目由存储到足以表示码序列以及残留的中频和多普勒频移两者的要求确定。在最普通的情况下，每个d_i必须按照一个指定操作或映射与每个s_mn组合，这种指定操作的一例子是作为相关过程部分所需的对{-1，+1}域内的信号进行的乘法操作。在样值被规定在{0，1}域内的逻辑驱动处理器中，这个乘法过程相当于异或逻辑操作(见下)。传统的途径是用分别处于每个偏移k的每个卫星信号复制品处理有N个数据样值的序列。如果(d₁，s_m1)表示接收信号样值d₁与卫星信号复制品样值s_m1的组合，而方括号[…]表示所括入的结果之和，传统的途径可以表示为[(d₁，s_m1)，(d₂，s_m2)，…(d_N，s_mN)]，再是[(d₁，s_m2)，(d₂，s_m3)，…(d_N，s_m1)]，…[(d₁，s_m1+k)，(d₂，s_m2+k)，…(d_N，s_m|N+k|)]，…[(d₁，s_mN)，(d₂，s_m1)，…(d_N，s_mN-1)]，对于每个卫星总共有N个和。(竖线||表示应该取由竖线所括的数值的模N。)这就保证了数据与所存储的卫星信号复制品样值的循环组合(因为从每个卫星发送的信号是重复的)。对于每个卫星信号复制品重复这整个过程，就总共有M个卫星来说，给出M×N个和。

本发明保证了将每个接收信号样值逐个与所有的卫星信号复制品一起取的组合。因此，例如将第i个接收信号样值d_i与每个卫星的第j个卫星信号复制品样值组合，就有(d_i，s_1j)，(d_i，s_2j)，…(d_i，s_Mj)。在这种方法的一个例子中，将卫星信号复制品的每个相关样值放入一个或多个计算机字的相继比特单元内。在用1比特表示接收信号样值的典型情况下，保存卫星信号复制品的样值的这个或这些字的内容按照接收信号样值的符号反转或不反转。最后，将每个组合加成适当的和，每个卫星在每个偏移得到一个和(在最普通的情况下)，给出总共M×N个和，如上所述。然而，重新排序会带来显著的实际效益，如以后所示。

在本发明的方法中可以直接使用接收信号样值，也可以先加以处理。例如，可以对接收信号样值块施加诸如快速傅里叶变换(FFT)之类的变换，从而将数据表示从离散时域变换成在频域内的数据表示。频FFT产生接收信号在离散频域内的频谱，但是其他变换也是可行的，诸如一些数论变换之类。本发明的方法可以形成这个变换过程的部分，也可以在这样的变换后应用。

可以将卫星信号复制品样值装入一个或多个寄存器的单元，使得每个寄存器含有来自多个卫星的复制品样值。在一个方案中，将一个寄存器的第一单元设置为第一卫星的第一个卫星信号复制品样值，将第二单元设置为第二卫星的第一个卫星信号复制品样值，将第三单元设置为第三卫星的第一个卫星信号复制品样值，诸如此类。这样，这个寄存器就装有这些卫星信号复制品分量，因此：\s₁₁，s₂₁，s₃₁，…s_R1\，其中反斜杠\\表示一个具有R个比特的寄存器。在另一个适合跟踪已由接收机截获的卫星的方案中，将个寄存器的第一、第二和第三单元分别设置为第一卫星的早(e)、即时(p)和晚(l)卫星信号复制品样值的值，将单元4、5和6设置为第二卫星的早、即时和晚卫星信号复制品单元，诸如此类，因此有：\s_1e，s_1p，s_1l，s_2e，s_2p，s_2l，…\。在又一个方案中，对于每个卫星使用甚早、早、即时、晚和甚晚复制品样值，而在另一个方案中仅仅使用早和晚复制品样值。显而易见，许多方案都是可行的，但是这个创造性构思是并行地用多个相关卫星信号复制品样值逐个处理接收信号样值(一次一个)。

寄存器可以是任何种类的，无论是用硬件还是用软件实现。然而，本发明的效益在将寄存器长度对在用的特定处理器得到优化时达到最大。例如，一个使用基于32比特操作的指令集的处理器用指令对长度为32个比特(R＝32)的寄存器进行操作效率最高。指令集可以含有形成第一个和第二个32比特寄存器的相应比特的积、将积放入第三个32比特寄存器的单元内的单指令。于是，可以将第一个寄存器设置成在每个单元含有同一个接收信号样值，\d_i，d_i，d_i，…\，而将第二个寄存器设置成含有16个卫星的早和晚卫星信号复制品样值，\s_1e，s_1l，s_2e，s_2l，…s_16e，s_16l\。这个单指令会用相应的积填入第三个寄存器的单元，\(d_i，s_1e)，(d_i，s_1l)，(d_i，s_2e)，(d_i，s_2l)，…(d_i，s_16e)，(d_i，s_16l)\。在很多情况下，如以下所示，不必用接收信号样值填入第一个寄存器的单元，特别是如果操作“原地”执行的话，可将结果置换第二个寄存器内的值，而用不着第三个寄存器。

在有些实现中，将一个或多个专用指令纳入处理器的指令集从而以最有效的方式来执行本发明所需的特定操作可能是有利的。本发明包括对指令集用这样的方式进行修改。

在按照本发明的一个这样的例子中，一个指令是使一列寄存器或存储元件的每个第n个比特的内容累加的指令。因此，如果在10个所标识的存储位置的各个第r个比特含有值{0，1，1，0，1，0，0，1，1，1}，于是所建议的指令会按照接收信号样值的值提供值6(为“1”内容之和)或值-2(为“0”值分量之和减去“1”值分量之和)。在进一步的更为复杂的指令中，每个同样编号的比特值以这种方式加以处理，导致将一些值装入32个寄存器，在原来所标识的存储位置内每个比特位置一个值。这样一个操作就保证了对相关值的累加。如下面将要看到的那样，在通用处理器内为信号处理添加运算上高效的指令的可能性并不局限于以上这些例子。

需在每个接收信号样值d_i与每个卫星信号复制品样值s_mn之间执行的操作可以根据要求采取若干形式中的一种形式。例如，操作(或映射)可以相当于异或逻辑功能。如果使用表示为1或0的单比特样值，这个功能仅当d_i或s_mn被设置为1、而不是两者都被设置为1时产生1，否则就产生0。如果将这个功能的结果置换s_mn的值，于是这种置换只有在s_mn的值与结果不同时才有必要。这只在d_i为1时出现。因此，这个映射的高效算法如下：

如果d_i为0    无操作；

如果d_i为1    将s_mn的值反转(也就是说，执行非操作)。

注意，只需要测试接收信号样值是1还是0，因此省去了将它的值装入寄存器的操作。有一半时间没有操作要执行(假设数据流含有一样多的1和0)。这表示显著地节省了处理器的在GPS信号接收中较为密集的信号处理任务之一的计算负荷。

在另一个例子中，将d_i和s_mn的复数表示相乘。每个复数用两个比特表示：一个比特表示实部(R)，另一个比特表示虚部(I)。相乘的结果具有由(d_iR×s_mnR-d_iI×s_mnI)给出的实部和由(d_iR×s_mnI+d_iI×s_mnR)给出的虚部。在d_i和s_mn的实部和虚部各用一个比特表示的的情况下，结果只有4个可能的复数值，而这些值可以被映射回一个复数输出，它的实部和虚部各用一个比特表示。对于这个映射的高效算法如下：

如果d_iR和d_iI都为0    交换s_mn的实部和虚部，再将新的虚部反转；

如果d_iR为0而d_iI为1    将s_mn的实部和虚部都反转；

如果d_iR为1而d_iI为0    无操作；

如果d_iR和d_iI都为1     交换s_mn的实部和虚部，再将新的实部反转。

这样，复数乘法就已经简化为基于接收信号样值的实部和虚部比特的测试结果的交换和/或非(反转)的操作，而在四分之一的情况下根本不用操作。

正如所指出的那样，接收信号样值和卫星信号复制品样值对于实部和虚部都可以用多于一个的比特表示。相应的算法随着比特的增多而更为复杂，但是在处理器时间上的节省仍然可以是可观的，特别是如果有专门研究的处理器指令可利用的话。在有些情况下，可能最好使用多于一个的映射，也就是说用第一映射产生中间结果，再用一个或多个第二映射产生最终结果。可以将不同的映射纳入一个带有查找措施的映射表。以上给出的复数1比特相乘算法就是用了一个交换操作(第一映射)再接一个反转操作(第二映射)两个步骤。可以将用多个比特表示实部和虚部的复数乘法分解为一连串映射步骤。在有些应用中，根据当前接收信号样值和根据一个或多个先前接收信号样值或者根据累加后值从表中选择一个或多个映射可能也是有利的。一个或多个映射可以组合一些非并行的样值。

附图说明

下面将参考附图进一步说明按照本发明的方法的一些例子，在这些附图中：

图1例示了GPS接收机；

图2示出了用于截获的寄存器内的比特设置；

图3为1比特异或操作的流程图；以及

图4示出了用于跟踪的寄存器内的比特设置。

具体实施方式

图1概括地示出了GPS接收机100。来自GPS卫星101的信号被天线102收到后传送给射频(RF)和中频(IF)处理器103。在这里，以在无线电接收机内共同的常用方式，将信号放大、滤波和变换到基带或接近基带的频率，再传送给数字化器104。I和Q的1比特数据样值(I和Q各用一个比特表示)被传送给处理器105，在那里按照本发明的方法予以处理。振荡器106为RF/IF处理器103提供本地振荡器基准信号、为数字化器104提供计时基准信号和为处理器105提供时钟信号。

GPS接收机100根据它的当前状态工作在不同模式。在这里，我们考虑截获模式和跟踪模式。

在截获期间(也就是说，在接收机处于截获模式时)，接收机100必须发现和截获卫星信号，以便能测量从天线102到每个卫星101的传播时间，从而由此得到距离。截获过程(在处理器105内执行)确立对接收机天线102处的卫星信号参数，诸如带有多普勒频移的频率、相对码初相的码相或接收机时钟时间、信号强度之类，的粗略估计，一旦卫星被截获，就可以用各种跟踪过程予以跟踪，这些跟踪过程用来提高参数测量精度，然后将精度提高了的参数测量结果用于导航解，以得到天线102的位置。截获卫星通常涉及形成所接收的信号与预期来自特定卫星的信号的复制品之间的互相关。在最普通的情况下，在不知道特定卫星的PRN码的码相偏移时，以及在只知道频率偏移(由接收信号的多普勒频移和基准振荡器106的频率误差两者引起)在宽的界限(±5kHz通常是最坏情况)内时，处理器(105)必须在码相偏移和频率偏移上对进来的接收信号样值流执行两维搜索。这问题由于卫星信号通常很弱而加剧，需要颇长的积累周期，可以延长到几秒，在极端情况下甚至许多秒。各种技术和策略在该技术领域内是众所周知的(例如，见“Understanding GPS Principles and Applications”，second edition，Kaplan & Hegarty，Artech House，2006)，在这里不再进一步说明。本发明的方法涉及在处理器105内可以高效处理来自数字化器104的接收信号样值的特定方式。

在接收机结构的一个例子中，首先考虑作为卫星码偏移完全未知的截获过程的一部分的在码相偏移上的搜索。残余的多普勒频移假设为小于信号积累时间的倒数的二分之一，因此所处理的接收信号样值在截获过程期间具有接近零的频率偏移。在这里所讨论的这个特定实现中，1比特的I和Q接收信号样值各以两倍的C/A码的码片率产生，所以每个码片有4个信号样值。C/A码的长度为1023个码片。因此，必需搜索2046个半码片偏移，以便建立接收信号样值的码相的粗略估计，而没有显著的灵敏度损失。在这个示例性接收机中，在I和Q信道内各以每秒2.048M个样值的速率对接收信号采样。因此，在每个1毫秒的时间间隔内有2048个I信号样值和2048个Q信号样值。将这些样值与以同样的速率所取的卫星信号复制品样值集组合，对于卫星码复制品的每个偏移形成一个互相关系数值。选择每1ms的时间间隔有2048个样值只是一个例子，也可以选择其他值，诸如5714之类。然而，选择样值数为码状态数的倍数，诸如2046或4092，可以导致例如由于估计器内的误差极限周期(也称为“死区”)而引起的对卫星信号的不良估计。还应该注意的是，对于每个相邻的1ms的接收信号样值要求不同的卫星信号复制品样值集。

在这个特定实现中，在处理器105内有512个32比特寄存器可用来保存卫星信号复制品样值，如图2中201处所示。每个实矩形表示一个32比特寄存器。应注意的是，在残余多普勒频移接近零的情况下，卫星信号复制品样值全部都是实数，并且在所估计的残余频率误差为零的情况下产生。在这个示例性情况下，每个卫星信号复制品样值因此可以用单比特表示。接收信号样值只用诸如d_il的实值样值表示而卫星信号复制品样值用复值样值表示的其他方案也是可行的。例如，在接收信号的样值不在零多普勒频移估计情况的频率范围内时就需要这样。在又一些情况下，接收信号样值和卫星信号复制品样值都用复值表示。SV 101中的第一个SV的最初4个卫星信号复制品样值被置入第一寄存器201-1的底端4个比特，卫星101中的第二个SV的最初4个卫星信号复制品样值被置入其次4个比特，诸如此类，直到第一寄存器充满。卫星101中的8个卫星能用这种方式表示。每个卫星信号复制品的第5到第8个样值被置入第二寄存器201-2，第9到第12个样值被置入第三寄存器201-3诸如此类，如图2所示。

实部(I)和虚部(Q)接收信号样值200在处理器105内用每个寄存器201内的每个比特分别处理。在这种情况下，异或算法特别简单，因为卫星信号复制品样值是实数。图3例示了这个流程图。如果第i个I接收信号比特为零，就将卫星信号复制品样值加入相应的实部值之和。如果它是1，就将卫星信号复制品样值反转后再加入实数值之和。如果第i个Q接收信号比特为零，就将这个卫星信号复制品样值加入相应虚部值之和。如果它为1，就将这个卫星信号复制品样值反转后再加入虚部值之和。这个算法在使用寄存器宽度的指令的处理器105内能高效实现，如前面所述。

实部和虚部值之和在寄存器组202内累加。在这里，每个以虚线框起的方框表示一组寄存器而不是单个物理实体。每个a符号表示两个分开的累加器，一个用于实部值另一个用于虚部值，而对于寄存器201的每个比特都有这样的一对累加器。在这里所说明的这个特定实现中，这些累加器是16比特的值，被成对地(实部和虚部)映射到32比特的物理寄存器上，一个这样的寄存器在底端的16个比特内保存实部和而在比特17至32内保存虚部和。其他配置也是可行的，而选择取决于什么可用和运算上高效。累加器的宽度取决于相干积累周期。假设用的是整数P个2048数据样值块，与相干积累为Pms相应，最大的累加值为2048×P。例如，10ms的积累周期会需要实部和虚部累加器内各至少有15个比特。

截获了足够的卫星后，GPS接收机通常进入一个或多个跟踪模式。在跟踪模式，GPS接收机用一些跟踪回路来估计本地产生的卫星码复制品与在误差检测器输入端上的来自每个卫星的接收信号之间的误差。经滤波的误差信号用来降低和几乎消除所产生的卫星码复制品与接收信号之间的误差。在保持卫星信号复制品的跟踪的情况下，这通常是通过对进来的接收信号样值用位于所跟踪的位置两侧的卫星信号复制品样值(与码的至少一个早版本和一个晚版本相应)进行互相关来实现的。在这个实施例中，使用两个卫星信号复制品样值，分别与一个定在所跟踪的位置前半个码片的样值(标以早，e)和一个定在所跟踪的位置后半个码片的样值(标以晚，l)相应。图4示出了相应的比特设置。所跟踪的位置标以即时，p。卫星m的早和晚卫星信号复制品样值因此由s_me＝s_mp-1和s_ml＝s_mp+1给出。处理器105内单个32比特寄存器401的低端16个比特填有在以上所讨论的截获阶段中所使用的8个卫星中每个卫星的早和晚卫星信号复制品样值。然后用每个I和Q信号样值比特400执行异或操作(图3)，再将结果在累加器402(在处理器105内)内累加。所累加的总和由处理器105用来控制相对相应卫星101的接收信号样值的卫星信号复制品位置。这种跟踪过程在该技术领域内是众所周知的，称为延迟锁定环(DLL)。

还可以进行对接收信号样值与所接收的载波频率之间的频率误差的估计。d_iI和d_iQ的各自累加和在与卫星信号复制品的定成即时的样值相关后传送给角检测器(未示出)。角检测器可以采取许多形式，如在Parkinson和Spilker中可以看到的。一个这样的方法用四象限的反正切函数来估计接收样值与复制品样值之间的角度。角误差经滤波后被用来校正载波复制品频率。可以在卫星发送一个数据元的整个周期上使用这个操作。如果需要较长持续时间的滤波，需要修改角检测器以适应从卫星发送的数据比特的状态的改变。一个这样的措施的例子在该技术领域内是众所周知的，称为“Costas环路”。两臂Costas环路可以校正如在包括GPS的大多数GNSS数据传输格式中所用的二进制相移键控数据。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种处理所接收的卫星无线电导航信号的方法，包括下列步骤：

通过共用天线接收来自多个卫星的无线电导航信号；

数字化所接收的无线电导航信号，以产生数字化信号样值的时间序列；

获取表示所述多个卫星中每个卫星的无线电导航信号的多个复制品；

从每个所述复制品中选择至少一个样值；

将寄存器的单元设置为等于所选择的复制品样值；以及

依次地，对于每个所述数字化信号样值，

将所述数字化信号样值的值与寄存器的单元的每个值组合，

以产生相应的修改值；以及

累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，对所接收的无线电导航信号的数字化在混频到基带后或在中频执行，或者直接在所接收的射频执行。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，所述数字化样值是以第一采样率产生的多比特样值，随后被降低精度和抽取，以便以较低采样率产生只有一个或几个比特精度的样值。

4.按照权利要求2或3所述的方法，其中，产生分别表示I和Q信号的独立的数字数据流，这些数字数据流被保持为独立的或被交错，或相反被合并成单个数据流。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，每个I和Q数据样值是同时产生的。

6.按照权利要求4所述的方法，其中，单个数字化器通过在间隔四分之一周期的两个时刻采样而直接产生交错的I和Q样值。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，无线电接收机同时在多个频道上工作。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，卫星无线电导航信号复制品样值被装入一个或多个寄存器的单元，使得每个寄存器含有来自多个卫星的复制品样值。

9.按照以上权利要求中任一项所述的方法，还包括处理所累加的值以确定共用天线的位置的步骤。

10.按照权利要求1所述的方法，其中，所接收的卫星无线电导航信号由与硬件设备连接的天线接收，而且要么被存储在存储器内供以后处理，要么由在处理器上运行的软件或固件程序以数字或模拟形式立即处理。

11.一种用于处理所接收的卫星无线电导航信号的装置，包括：

共用天线(102)；

用于通过共用天线接收来自多个卫星的无线电导航信号的处理器(103)；

用于数字化所接收的无线电导航信号以产生数字化信号样值的时间序列的数字化器(104)；以及

处理器(105)，用来：

获取表示所述多个卫星中的每个卫星的无线电导航信号的多个复制品；

从每个所述复制品中选择至少一个样值；

将寄存器(201-1，201-2，…，201-512)的单元设置成等于所选择的复制品样值；以及

依次地，对于每个所述数字化信号样值，

将所述数字化信号样值的值与所述寄存器的单元的每个值组合，以产生相应的修改值；以及

累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

Claims (11)

1.一种处理所接收的卫星无线电信号的方法，包括下列步骤：

通过共用天线接收来自多个卫星的信号；

数字化所接收的信号，以产生数字化信号样值的时间序列；

获取表示所述多个卫星中的每个卫星的信号的多个复制品；

从每个所述复制品中选择至少一个样值；

将寄存器的单元设置为等于所选择的复制品样值；以及

依次地，对于每个所述数字化信号样值，

将所述数字化信号样值的值与寄存器的单元的每个值组合，以产生相应的修改值；以及

累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，对所接收的信号的数字化在混频到基带后或在中频执行，或者直接在所接收的射频执行。

3.按照权利要求2所述的方法，其中，所述数字化样值是以第一采样率产生的多比特样值，随后被降低精度和抽取，以便以较低采样率产生只有一个或几个比特精度的样值。

4.按照权利要求2或3所述的方法，其中，产生分别表示I和Q信号的独立的数字数据流，这些数字数据流被保持为独立的或被交错，或相反被合并成单个数据流。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，每个I和Q数据样值是同时产生的。

6.按照权利要求4所述的方法，其中，单个数字化器通过在间隔四分之一周期的两个时刻采样而直接产生交错的I和Q样值。

7.按照权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，无线电接收机同时在多个频道上工作。

8.按照权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，卫星信号复制品样值被装入一个或多个寄存器的单元，使得每个寄存器含有来自多个卫星的复制品样值。

9.按照以上权利要求中任一项所述的方法，还包括处理所累加的值以确定共用天线的位置的步骤。

10.按照权利要求1所述的方法，其中，所接收的卫星无线电信号由与硬件设备连接的天线接收，而且要么被存储在存储器内供以后处理，要么由在处理器上运行的软件或固件程序以数字或模拟形式立即处理。

11.一种用于处理所接收的卫星无线电信号的装置，包括：

共用天线(102)；

用于通过共用天线接收来自多个卫星的信号的处理器(103)；

用于数字化所接收的信号以产生数字化信号样值的时间序列的数字化器(104)；以及

处理器(105)，用来：

获取表示所述多个卫星中的每个卫星的信号的多个复制品；

从每个所述复制品中选择至少一个样值；

将寄存器(201-1，201-2，…，201-512)的单元设置成等于所选择的复制品样值；以及

依次地，对于每个所述数字化信号样值，

将所述数字化信号样值的值与所述寄存器的单元的每个值组合，以产生相应的修改值；以及

累加与每个所述寄存器单元相应的修改值。

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