CN102967868A - 定位装置及其信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种定位装置及其信号处理方法，该方法包括下列步骤。接收一卫星信号，以产生一距离信息。依据该距离信息与一参考坐标信息，以产生一距离修正量。利用一经验模态分解法，以迭代方式对该距离修正量进行处理，以产生多个模态函数。分析该些模态函数，以筛选部分的该些模态函数作为一校正距离修正量输出。该定位装置包括接收单元、计算单元与处理单元。从而可有效滤除原始距离修正量中具有的多路径噪声及接收机噪声误差，以提供较准确的距离修正量给全球导航卫星系统，使全球导航卫星系统的定位信息更为准确。

Description

定位装置及其信号处理方法
【技术领域】
本发明有关于一种信号处理方法，特别有关于一种定位装置及其信号处理方法。
【背景技术】
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)，其可于地球表面绝大部分地区提供准确的定位。由于全球导航卫星系统可指引使用者依循正确道路行进，因此使用者可减少观看地图或随时注意路标的负担。然而，全球导航卫星系统所依赖的定位信号却会因来自卫星的误差、大气的影响、多路径效应与接收机噪声误差(含热噪声及信号干扰)，而导致定位成果变差。一般全球导航卫星系统定位的准确度约可在10～25公尺以内的误差范围。
为了改善前述全球导航卫星系统的定位准确度，可通过差分全球导航卫星系统(Differential GNSS，DGNSS)的原理来协助修正定位的误差，以将定位的准确度大幅提高至1～5公尺的误差范围。但是，差分全球导航卫星系统取得修正信号时，所接收到距离信号中的多路径效应及接收机噪声误差，会造成差分全球导航卫星系统所产生的定位修正量不够准确，进而使得定位准确度仍可改善。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种定位装置及其信号处理方法，以改善定位准确度。
本发明所揭示的一种定位装置的信号处理方法，包括下列步骤。接收一卫星信号，以产生一距离信息。依据该距离信息与一参考坐标信息，以产生一距离修正量。利用一经验模态分解法，以迭代方式对该距离修正量进行处理，以产生多个模态函数。分析该些模态函数，以筛选部分的该些模态函数作为一校正距离修正量输出。
本发明另揭示一种定位装置，包括接收单元、计算单元与处理单元。接收单元用以接收一卫星信号。计算单元耦接接收单元，依据卫星信号，产生一距离信息，并依据距离信息与一参考坐标信息，计算出一距离修正量。处理单元耦接接收单元，用以利用一组态模态分解法，以迭代方式对距离修正量进行处理产生多个模态函数，且分析前述的模态函数，以筛选出部分的模态函数作为一校正距离修正量输出。
相较于现有技术，利用本发明的定位装置及其信号处理方法，可有效滤除原始距离修正量中具有的多路径噪声及接收机噪声误差，以提供较准确的距离修正量给全球导航卫星系统，使全球导航卫星系统的定位信息更为准确。
【附图说明】
图1为第一实施例的定位装置的方块图。
图2为第一实施例的距离修正量、校正距离修正量的波形图。
图3为第一实施例的距离修正量、校正距离修正量的局部放大波形图。
图4为第二实施例的定位装置的信号处理方法流程图。
图5为图4的步骤S430的一实施范例。
图6为图4的步骤S440的一实施范例。
【具体实施方式】
请参考图1所示，其为第一实施例的定位装置的方块图。本实施例的定位装置100可以是差分全球导航卫星系统(Differential Global NavigationSatellite Systems，DGNSS)，其适于提供较精确的距离修正量给全球导航卫星系统150使用，以使全球导航卫星系统的定位信息更加准确。定位装置100包括接收单元110、计算单元120、处理单元130与发送单元140。
接收单元110用以接收一卫星信号。也就是，定位装置110通过信号接收单元110与卫星连接，以接收卫星所发送的卫星信号。计算单元120耦接接收单元110，用以依据卫星信号，以产生距离信息，并依据距离信息与一参考坐标信息，计算出一距离修正量。
处理单元130耦接计算单元120，用以利用一经验模态分解法(EmpiricalMode Decomposition，EMD)，以迭代方式对距离修正量进行处理来产生多个模态函数。接着，将前述模态函数进行分析，以筛选部分的模态函数作为一校正距离修正量输出。如此一来，可有效滤除原始距离修正量中的多路径噪声与接收机噪声，以输出较为精确的校正距离修正量。
发送单元140耦接处理单元130，用以将处理单元130所产生的校正距离修正量发送至全球导航卫星系统150，使得全球导航卫星系统150能更准确的产生定位信息，如定位的误差范围约在1公尺内。
在本实施例中，处理单元130可以是微处理器、多核心微处理器或数组、信号处理器或组件可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)。
上述以大略说明了处理单元130的操作，以下将进一步说明处理单元的详细操作流程。首先，处理单元130读取计算单元120所产生的距离修正量x(t)，并对距离修正量x(t)进行极值寻找的处理，以取得距离修正量x(t)中的一极大值群与一极小值群。
当寻找出最大值群与最小值群时，处理单元130会利用立云方线(cubicspline)对最大值群与最小值群进行处理，以产生一上包络线EMAX与一下包络线EMIN。详细来说，处理单元130利用立云方线将极大值群中的所有极大值连接成一上包络线，并利用立云方线将极小值中的所有极小值连接成一下包络线。
之后，处理单元130将上包络线EMAX与下包路线EMIN进行计算，以产生一平均包络线m(t)。在本实施例中，平均包络线m(t)为上包络线EMAX与下包络线EMIN的平均值，即m(t)＝(EMAX+EMIN)/2。在取得平均包络线m(t)后，处理单元130将距离修正量x(t)减去平均包络线m(t)，以产生一分量信号d(t)，即d(t)＝x(t)-m(t)。接着，处理单元130会判断所计算出的分量信号d(t)是否满足一模态函数条件。
若判断出分量信号不满足模态函数条件，处理单元130会以此分量信号d(t)取代目前距离修正量，并重复前述对距离修正量x(t)的处理，直到求出满足模态函数条件的分量信号，并将所求得的分量信号视为一模态函数，以做后续的处理。
另一方面，若判断出分量信号d(t)满足模态函数条件，则处理单元130将此分量信号d(t)视为一模态函数分量IMFi(t)，例如本质模态函数(IntrinsicMode Function，IMF)，其中i初始设为0。之后，处理单元130将距离修正量x(t)减去前述所求得的模态函数IMFi(t)，以得到一剩余信号Ri(t)，并判断所求得的剩余信号Ri(t)是否满足一停止条件。
若判断出剩余信号Ri(t)未能满足一停止条件，则处理单元130将此剩余信号Ri(t)取代距离修正量x(t)，并重复前述对距离修正量x(t)的处理，直到求出满足模态函数条件的分量信号，并将所求得的分量信号视为一模态函数分量，例如IMFi+1(t)。接着，处理单元130依据距离修正量x(t)与模态函数IMFi+1(t)，求得剩余信号Ri+1(t)，直到至少后续的一剩余信号满足停止条件为止。另一方面，若判断出剩余信号Ri(t)满足停止条件，则输出符合的多个模态函数。
在本实施例中，由于多路径误差的变化周期约为几分钟，而接收机热噪声误差则为白噪声(white noise)，其变化较为快速，因此处理单元130会以多路径与接收机噪声误差的物理特性作为判断的准则。也就是说，处理单元130会将模态函数的变化周期与一预设时间做比较，而预设时间例如为10分钟。接着，若判断出模态函数的变化周期小于预设时间，处理单元130将此模态函数视为噪声。若判断出模态函数的变化周期大于预设时间，处理单元130将此模态函数视为有意义的信号。如此一来，可通过分析所取得的模态函数的变化周期，而滤除距离修正量中所夹带的多路径噪声与接收机噪声误差，使得校正距离修正量更为准确，进而使定位装置所产生的定位信号更为准确。
另外，由于模态函数的产生过程是经过不断迭代，以寻找出符合模态函数条件的分量，并且为了不破坏信号的瞬时频率与瞬时振幅的物理意义，故处理单元130会设置前述的停止条线来避免筛选次数太多而破坏信号的物理意义。
在本实施例中，处理单元130将上包络线EMAX减去下包络线EMIN再除以2，以产生模态振幅a(t)，即a(t)＝(EMAX-EMIN)/2。接着，处理单元130将平均包络线m(t)除以模态振幅a(t)再取绝对值，以产生一估计函数σ(t)，即σ(t)＝|m(t)/a(t)|。
在取得模态振幅a(t)与估计函数σ(t)，处理单元130会将距离修正量的长度视为1，并且以长度(1-α)的部分达到σ(t)＜θ1而长度α的部分达到σ(t)＜θ2作为停止条件。也就是说，处理单元130判断距离修正量的长度(1-α)的部分达到σ(t)＜θ1而距离修正量的长度α的部分达到σ(t)＜θ2，表示剩余函数Ri(t)符合停止条件，并停止前述的信号分解过程，以产生符合的模态函数。典型的设定为α≈0.05，θ1≈0.05和θ2≈10θ1。
请参考图2及图3所示，其为第一实施例的距离修正量、校正距离修正量的波形图及局部放大波形图。标号210为距离修正量，即定位装置100所计算出来的原始修正量；标号220为校正距离修正量，即经由前述经验模态分解法所产生的修正量。由图3中可以看出，距离修正量210仍具有多路径噪声及接收机噪声误差，而经由本实施例的经验模态分解法所取得的校正距离修正量则较为平滑，也就是有效率除多路径噪声及接收机噪声误差。如此一来，定位装置100所提供的校正距离修正量能更为准确，使得如图1所示的全球导航卫星系统150所产生的定位信息也能更为准确，如定位的误差范围约在1公尺内。
由前述第一实施例的说明，可以归纳出一种定位装置的信号处理方法。请参考图4所示，其为第二实施例的定位装置的信号处理方法流程图。
在步骤S410中，接收一卫星信号，并产生一距离信息。定位装置可通过信号接收模块接收卫星所产生的距离修正量。在步骤S420中，依据距离信息与一参考坐标信息，以产生一距离修正量。在步骤S430中，利用一经验模态分解法，以迭代方式对距离修正量进行处理，以产生多个模态函数。在步骤S440中，分析前述的模态函数，以筛选部分的模态函数作为一校正距离修正量输出。
请参考图5所示，其为图4的步骤S430的一实施范例。在步骤S502中，读取一距离修正量x(t)。在步骤S504中，判断距离修正量是否符合一分析条件，其中分析条件为距离修正量是否具有至少一极大值与至少一极小值。
若判断距离修正量未符合分析条件，则进入步骤S506，将距离修正量进行微分，并回到步骤S504以进行下一次判断，直到距离修正量符合分析条件为止。
另一方面，若判断距离修正量符合分析条件，则进入步骤S508中，依据距离修正量x(t)，寻找一极大值群与一极小值群。接着，在步骤S510中，依据极大值群与极小值群，利用立云方线(cubic spline)分别建立一上包络线EMAX与一下包络线EMIN。也就是，利用立云方线将极大值群中的所有极大值连接成一上包络线，而以立云方线将极小值中的所有极小值连接成一下包络线。
在步骤S512中，依据上包络线EMAX与下包络线EMIN，以产生一平均包络线m(t)，即m(t)＝(EMAX+EMIN)/2。在步骤S514中，将距离修正量x(t)减去平均包络线m(t)，以产生一分量信号d(t)，即d(t)＝x(t)-m(t)。在步骤S516中，判断分量信号d(t)是否满足一模态函数条件。
若判断出分量信号不满足模态函数条件，则进入步骤S518中，以此分量信号d(t)取代目前距离修正量x(t)，并回到步骤S508且重复步骤S508至S516，直到求出符合步骤S516的模态函数条件的分量信号为止，并进入步骤S520。另一方面，若判断出分量信号d(t)满足模态函数条件，则进入步骤S520，将此分量信号d(t)视为一模态函数分量IMFi(t)，例如本质模态函数，其中i初始设为0。
在步骤S522中，将距离修正量x(t)减去以前述所求得的模态函数IMFi(t)，以得到一剩余信号Ri(t)，其中i初始设定为0。在步骤S524中，判断剩余信号Ri(t)是否满足一停止条件。
若判断出剩余信号Ri(t)未能满足一停止条件，则进入步骤S524，将此剩余信号Ri取代距离修正量x(t)，并回到步骤S508，且继续步骤S508至S514，以取得另一分量信号，并作为另一模态函数分量IMFi+1(t)。在取得另一模态函数分量IMFi+1(t)后，进行步骤S520至S522，以求出另一剩余信号Ri+1(t)，接着于步骤S524中，判断此剩余信号Ri+1(t)是否符合停止条件，直到至少后续的一剩余信号满足停止条件为止。另一方面，若判断出剩余信号Ri(t)满足一停止条件，则进入步骤S528，输出多个模态函数。
请参考图6所示，其为图4的步骤S440的一实施范例。在步骤S610中，比较前述模态函数的变化周期与一预设时间。若模态函数的变化周期小于该预设时间，则进入步骤S620，将模态函数视为一噪声。若模态函数的变化周期大于预设时间，则进入步骤S630，将模态函数视为一有效信号。接着，在步骤640中，将前述视为有效信号的模态函数作为校正距离修正量输出。如此一来，可有效将原始距离修正量中的噪声滤除，使定位装置的定位信息更为准确。
综合上述，本发明的定位装置及其信号处理方法可通过经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition，EMD)，将距离修正量分解成多个模态函数，并对模态函数进行分析，以将分类成有效信号的模态函数组合成校正距离修正量。如此一来，可有效滤除原始距离修正量中具有的多路径噪声及接收机噪声误差，以提供较准确的距离修正量给全球导航卫星系统，使全球导航卫星系统的定位信息更为准确。

Claims (10)

1.一种定位装置的信号处理方法，其特征在于，包括：
接收一卫星信号，以产生一距离信息；
依据该距离信息与一参考坐标信息，以产生一距离修正量；
利用一经验模态分解法，以迭代方式对该距离修正量进行处理，以产生多个模态函数；以及
分析该些模态函数，以筛选部分的该些模态函数作为一校正距离修正量输出。
2.如权利要求1所述的定位装置的信号处理方法，其特征在于，以迭代方式对该距离修正量进行处理，以产生多个模态函数的步骤包括：
依据该距离修正量，寻找一极大值群与一极小值群；
依据该极大值群与该极小值群，利用一立方云线分别产生一上包络线与一下包络线；
依据该上包络线与该下包络线，以计算一平均包络线；
将该距离修正量减去该平均包路线，以产生一分量信号；
判断该分量信号是否满足一模态条件；
若该分量信号满足该模态条件，则将该分量信号视为一模态函数分量；以及
若该分量信号未能满足该模态条件，则将该分量信号取代该距离修正量以进行另一次迭代，直到与后续至少一次迭代所对应的一分量信号满足该模态条件时，将后续的该次迭代所对应的该分量信号视为一模态函数分量。
3.如权利要求2所述的定位装置的信号处理方法，其特征在于，依据该距离修正量，寻找一极大值群与一极小值群的步骤之前包括：
读取一距离修正量；
判断该距离修正量是否一分析条件，其中该分析条件为该距离修正量具有至少一极大值与至少一极小值；
若判断出该距离修正量符合该分析条件，则进入依据该距离修正量，寻找一极大值群与一极小值群的步骤；以及
若判断出该距离修正量未符合该分析条件，则将该距离修正量进行微分，并回到判断该距离修正量是否符合一分析条件以进行另一次判断，直到该距离修正量符合该分析条件为止。
4.如权利要求2所述的定位装置的信号处理方法，其特征在于，包括：
将原始的该距离修正量减去以该模态函数分量，以得到一剩余信号；
判断该剩余信号是否满足一停止条件；
若该剩余信号未能满足该停止条件，将该剩余信号视为该距离修正量并回到依据该距离修正量，寻找一极大值群与一极小值群的步骤，以进行另一次迭代，直到与后续至少一次迭代所对应的一模态函数满足该停止条件为止；以及
若该剩余信号满足该停止条件，输出多个模态函数。
5.如权利要求1所述的定位装置的信号处理方法，其特征在于，分析该些模态函数，以筛选部分的该些模态函数作为该校正距离修正量输出的步骤包括：
比较该些模态函数的变化周期与一预设时间；
若该模态函数的变化周期小于该预设时间，将该模态函数视为一噪声；
若该模态函数的变化周期大于该预设时间，将该模态函数视为一有效信号；以及
将视为该有效信号的该些模态函数作为该校正距离修正量输出。
6.一种定位装置，其特征在于，包括：
一接收单元，用以接收一卫星信号；
一计算单元，耦接该接收单元，依据该卫星信号，产生一距离信息，并依据该距离信息与一参考坐标信息，计算出一距离修正量；
一处理单元，耦接该计算单元，用以利用一组态模态分解法，以迭代方式对该距离修正量进行处理产生多个模态函数，且分析该些模态函数，以筛选出部分的该些模态函数作为一校正距离修正量输出。
7.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，该处理单元更依据该距离修正量，寻找一极大值群与一极小值群，并依据该极大值群与该极小值群，利用一立方云线分别产生一上包络线与一下包络线，且依据该上包络线与该下包络线，以计算一平均包络线，将该距离修正量减去该平均包络线，以产生一分量信号，判断该分量信号是否满足一模态条件，其中若该分量信号满足该模态条件，则将该分量信号视为一模态函数分量，若该分量信号未能满足该模态条件，则将该分量信号视为该距离修正量以进行另一次迭代，直到与后续至少一次迭代所对应的一分量信号满足该模态条件时，后续的该次迭代所对应的该分量信号为该模态函数分量。
8.如权利要求7所述的定位装置，其特征在于，该处理单元判断该距离修正量是否符合一分析条件，其中若判断出该距离修正量符合该分析条件，则取得多个极大值与多个极小值，以产生该极大值群与该极小值群，若判断出该距离修正量未符合该分析条件，则将该距离修正量进行微分以进行另一次判断，直到该距离修正量符合该分析条件为止，其中该分析条件为该距离修正量具有至少一极大值与至少一极小值。
9.如权利要求7所述的定位装置，其特征在于，该处理单元将原始的该距离修正量减去以该模态函数分量，以得到一剩余信号，判断该剩余信号是否满足一停止条件，其中若该剩余信号未能满足该停止条件，将该剩余信号视为该距离修正量并回到据此进行另一次迭代，直到与后续至少一次迭代所对应的一模态函数满足该停止条件为止。
10.如权利要求6所述的定位装置，其特征在于，该处理单元比较该些模态函数的变化周期与一预设时间，其中若该模态函数的变化周期小于该预设时间，该处理单元将该模态函数视为一噪声，若该模态函数的变化周期大于该预设时间，该处理单元将该模态函数视为一有效信号，该处理单元将视为该有效信号的该些模态函数作为该校正距离修正量输出。
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