CN104541182A - 用于改进的同步的gnss无线电信号 - Google Patents

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Abstract

GNSS无线电信号包括作为一连串数据分组发送的导航消息。每个数据分组作为以代码的应用而获得的、前面有同步符号头部的符号序列存在于GNSS无线电信号中。该数据分组被内部地组织到数据字段中。一连串数据分组中的至少某些数据分组包含由代码的应用翻译为同步符号模式的同步比特字段。

Description

用于改进的同步的GNSS无线电信号
技术领域
概括地说，本发明内容涉及卫星无线电导航的技术领域。本发明是关于卫星发送的无线电导航信号(下文称为“GNSS无线电信号”或“GNSS信号”)的，具体而言，关于通过这些信号向用户接收机传送的、以实现或促进所述接收机的地理定位的导航消息。
背景技术
GNSS信号(“空间中信号”部分)是GNSS(“全球导航卫星系统”)空间基础设施及其各个用户部分之间的主要接口。在这一方面，它在给定环境和使用上下文中对用户可用的性能方面起了重要作用。这是因为性能是使用的接收算法(用户上下文的函数)和到达用户的信号的质量(受到传播条件的影响)的结果。
该信号的频谱和时间特性，例如载波频率、功率或调制(PRN、BPSK、BOC速率)参数，基本在互操作性、跟踪和干扰以及多径健壮性等方面确定了性能。
导航消息本身也是性能的主导因素。它在内容方面，还通过其结构在可用性(健壮性)和延迟(或响应性)方面确定服务。导航消息尤其包含来自发送卫星的星历和时钟校正数据(“DECH”)的集合。该DECH的集合用于表示足以允许接收机计算卫星位置和卫星时钟错误的数据的集合。导航消息对获取性能，尤其是获取时间(被称为“首次固定时间”)有重要贡献。
然而，GNSS信号的设计及其导航消息也是各种预期的服务要求和内容(例如并且针对Galileo：开放服务(OS)、生命安全(SoL)、搜索和救援返回链路消息(SAR RLM)等)、有时冲突的性能目标(响应性和健壮性)以及操作或技术的约束(互操作性、卫星的数量/消耗/体积等)之间的妥协的结果。
因此，相比于GPS C/A信号，Galileo E1 OS和GPS L1C信号包含了大量变化：新的导航消息结构、PRN码、优化的调制方案等。这两种信号都尤其针对开放服务，本质上意在消费者接收机，并且经常在困难的环境中操作(例如，城市峡谷)。然而，这两种信号在其设计方面明显不同：L1CGPS信号主要针对开放服务，而Galileo OS信号被设计来处理开放服务和提供实时完整数据(SoL)和SAR返回链路信道(SAR RLM)。因此，Galileo消息不仅包含星历和时间(时钟纠错)数据的条目，还包含额外的数据条目。
应该注意的是，导航消息中的同步数据广播(尤其是来自Galileo开放服务(Galileo OS)的)会受到缺少健壮性的影响。因为这一信息是计算接收机位置所必须的，低水平的健壮性在获取门限方面，特别是在“困难”环境中(比如城市峡谷或建筑物内部)对Galileo接收机的性能有不利的影响。
发明内容
本发明内容的目的是增强携带有用信息(尤其是导航消息)的GNSS信号的健壮性。
为了解决上述问题，提出了一种包括作为一连串数据分组(例如，“页”或“半页”)发送的导航消息的GNSS无线电信号，可选地，所述数据分组被组织到群组(帧)和/或子群组(子帧)中，每个数据分组采用通过应用代码(确保将二进制消息转换为码字)而获取的、前面有同步符号头的符号序列的GNSS无线电信号中的形式。数据分组被内部地组织到数据字段中。根据本发明，一连串数据分组的至少某些数据分组包含通过应用代码翻译为同步符号模式的同步比特字段。
因此应该理解的是，在载波频率上调制的符号的水平上，导航消息包括多个同步符号的群组：标记每个数据分组的开始的同步符号头部，以及出现在某些分组上的同步符号模式。应该注意的是，同步符号头部在二进制消息层面上没有等价物(该头部是在传输之前添加到符号序列的)，而同步符号模式是与合并到导航消息的二进制序列中的比特序列对应的。选择这一比特序列，以在编码之后展示期望的同步模式。
因此，假定某些数据分组具有接收机提前知道的多个同步符号序列(头部和模式)，接收机对导航消息进行的检测将更可靠，尤其在低信噪比条件下。
优选地，每一子帧的至少一个数据分组包含通过应用代码翻译为同步符号模式的同步比特字段。更有利的是，该一连串数据分组的至少每6个数据分组包含通过应用代码翻译为同步符号模式的同步比特字段。
根据本发明的一个有利的实施例，一连串数据分组的每个数据分组包含通过应用代码翻译为同步符号模式的同步比特字段。
同步符号模式和/或其在数据分组的子群组(子帧)中的位置可以是发射机(卫星或伪卫星)或发射机群组专用的。在这种情况下，同步符号模式和/或其在数据分组的群组(子帧)中的位置将识别GNSS无线电信号的发射机或发射机群组。出于在GNSS中使用本发明的目的，有可能定义多个发射机群组(卫星和/或伪卫星)，每个群组在不同时刻(子帧的)广播同步模式。
根据本发明的一个优选实施例，一连串数据分组中的至少某些数据分组各包含从多个不同的同步比特字段中选择的同步比特字段，使得不同的同步符号模式在一连串分组的层面上交替。应该理解的是，多个同步符号模式增加了模糊的时间，例如，如果三个同步符号模式在分组上交替，其中每个分组具有2s的持续时间，则获得的模糊时间是6s。这一方法的意义是对已知系统时间的准确性的约束对于接收机是宽松的。
优选地，用于置换二进制符号消息的代码是纠错码。特别地，纠错码可以是卷积码，例如具有约束长度7和编码速率1/2(正如Galileo OS E1信号的导航消息的情况)。
优选地，同步比特字段包括考虑卷积码的约束长度的填充比特。卷积码的记忆效应得出通过根据先前字段的内容将该卷积码应用于同步比特字段获得的第一符号。填充比特使得可能确保该同步模式不受先前字段中的内容的变化的影响。
本发明的另一个方面涉及GNSS定位方法，其包括如上所描述的接收多个GNSS无线电信号。接收包括对导航消息的检测(可选地但不是必须地还要解码)。导航消息的检测包括对所述同步符号模式的识别，例如除了对同步符号头部的检测。
应该理解的是，GNSS定位方法可以是辅助的GNSS定位方法(A-GNSS方法)，其中，导航消息中包含的信息条目或类似的信息条目通过除了该导航消息之外的传输信道发送给接收机。特别地，应该注意的是，同步符号模式的存在允许A-GNSS接收机与导航消息更好地同步，而无需对导航消息解码(并且获得对其内容的访问)。
本发明的另一个方面涉及一种GNSS接收机，其被提供有包含具有指令的计算机程序的存储器单元，当该计算机程序被GNSS接收机运行时，可以使该GNSS接收机执行上面简要描述的GNSS定位方法。
最后，本发明还扩展到一种计算机程序，其包括当该计算机程序被GNSS接收机运行时，使得该GNSS接收机执行上述定位方法的指令。
附图说明
通过下面以参照附图进行说明的方式给出的一些有利实施例的详细描述，本发明的其它区别特征和特性将显现出来，其中：
图1是在E1-B信号分量上提供的Galileo I/NAV无线电导航信号的结构的示意图。
图2是E1-B信号分量上的I/NAV无线电导航消息的子帧的结构的示意图。图3是根据本发明的第一变形修改后的I/NAV无线电导航消息的子帧的结构的示意图。
图4是根据本发明的第二变形修改后的I/NAV无线电导航消息的子帧的结构的示意图。
图5-7是根据本发明的第三变形修改后的I/NAV无线电导航消息的子帧的结构的示意图。
图8是示出用于生成同步符号模式的方法的图。
具体实施方式
以下讨论的本发明的实施例是基于在Galileo导航系统的E1-B分量(E1OS信号的数据信道)上发送的I/NAV导航消息的，其中所述实施例建议对其进行修改。然而，应该注意的是，做出这一选择纯粹是出于说明本发明的目的，本发明也可以在其它GNSS信号(来自Galileo、GPS、Glonass、Compass等)上执行。关于I/NAV消息的更多信息可以通过查询2010年9月由欧洲委员会在网站http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/open-service/index_en.htm上发布的1.1版本的文档“European GNSS(Galileo)Open Service Signal inSpace Interface Control Document”(下文称为Galileo OS SIS ICD)来获得。
Galileo I/NAV消息由720秒的帧组成，被划分为24个子帧，每个子帧30秒。后者由15个2秒的页构成，每页由持续1秒的偶数部分和奇数部分构成。图1中以图示地方式示出了I/NAV消息的结构。
页的偶数和奇数部分由有用数据的120个比特构成，因此完整的页包含240个有用信息比特。这些比特被用卷积码(具有约束长度L＝7和编码速率R＝1/2)进行编码。有用数据的这120个比特在编码之后被转换为240个符号，其中，向其添加了10个符号的同步头部。因此半页包含250个符号。
图2示出了Galileo OS E1-B的子帧的配置。每页(偶数半页和奇数半页)包含128个比特的数据字段，称为“字”，并且分散在页的两个部分(分别划分为16和112个比特)。
字包含由导航接收机用于计算其位置(星历、Galileo系统时间、时钟校正、电离层校正、年鉴等等)的信息条目。
在Galileo OS SIS ICD中根据字的内容定义了十种类型的字(字1到10)，第十一种类型为“剩余”(空闲)字预留，即，不包含有用信息。
半页代表在编码之后在前面加上同步符号头部的数据分组。为了将本发明应用于Galileo OS E1-B信号，出于这一说明性例子的目的，建议向每个奇数半页的”预留1”字段提供二进制同步字。这一字段的大小为40比特。因此，定义40个比特的序列是个问题，所述40个比特的序列一旦被卷积码转换为80个符号将变为同步符号模式。所述码的记忆效应(L＝7并且R＝1/2)使得前12个符号未知。因此同步信息只能在68个符号上编码。
有可能选择允许获取门限降低超过3dB的同步比特序列(包括被提供用于考虑卷积码记忆效应的填充比特)。选择通过该卷积码的应用得到具有适当自相关属性的同步符号模式的同步比特序列是个问题。
根据图3中描绘的本示例的第一变形，将相同的同步比特字段(即，相同的比特序列)插入每个奇数半页的“预留1”字段。得出的模糊时间为2s。
根据图4中描绘的本示例的第二变形，三个不同的同步比特字段在各子帧的奇数半页的“预留1”字段中交替。得到的模糊时间为6s。
图5到7中描绘了第三变形(增加空间分集)。对Nsat个卫星的Ng个分组进行考虑。同一个相同群组的所有卫星在子帧中的相同时间广播同步符号模式。
分组在不同时间广播该同步符号模式。这一方法的意义在于模糊时间被乘以Ng，这减轻了对已知系统时间的准确性的约束。
使用每个群组10个Galileo卫星的三个群组，达到6s的时间模糊。第一群组在时间T0＝0、6、12、18和24处开始的页中广播第一同步模式(图5)。第二群组在时间T0＝2、8、14、20和26处开始的页中广播第二同步模式(图6)。第三群组在时间T0＝4、10、16、22和28处开始的页中广播第三同步模式(图7)。
图8示出了用于找到同步符号模式(以及对应比特序列)的可能方法。Ns代表该同步符号模式的长度(以符号计算)。(在“预留1”字段的例子中，Ns＝68，因为前12个符号取决于先前字段的内容。)目的是确定具有最佳的同步属性的Ns个符号的序列，也就是说满足对序列的自相关功能的一定数量的性能标准(寻求类似于白噪声的自相关功能，即最接近Kroneckerdelta函数)。
有可能以图8中示出的方式来继续进行。选择长度k＝2n-1的符号序列S1，其中n表示整数并且k<Ns。特别地，将选择m-序列(也称为为“最大长度序列”)，就是具有最佳自相关属性(非常接近于白噪声的属性)的伪随机序列。然后寻找长度p＝Ns-k的符号序列S2，使得串联序列[S1,S2]满足在自相关属性方面规定的条件。序列S2有2p个候选序列。因此，在寻找序列S2时，要从所有可能序列中选择最好的候选序列。
然后，对Ns个符号的串联序列[S1,S2]进行解码(例如，使用Viterbi解码器)，以找到Ns·R个比特的序列B1(R＝该纠错码的编码速率)。对于这一阶段，有必要找到L-1个比特(L＝卷积码的约束长度)的序列B2，以放置在序列B1前面，生成(通过对纠错码的应用)长度为Ns+(L-1)/R的“最佳”符号序列S3。该“最佳”符号序列用于表示具有最佳自相关属性的最终Ns个符号的序列。由于有2L-1个可能的具有L-1个填充比特的序列，因此必须评估这2L-1个候选符号序列。在候选符号序列中，选择具有最佳同步属性的一个序列。
针对长度为k的符号序列S1的集合来重复该方法。最终选择生成最佳结果的Ns个符号的序列和L-1个填充比特的序列。

Claims (12)

1.一种GNSS无线电信号，包括作为一连串数据分组发送的导航消息，所述数据分组被可选地组织到群组和/或子群组中，每个数据分组采用通过应用代码而获得的、前面有同步符号头部的符号序列的形式，所述数据分组被内部地组织到数据字段中；
其特点为：所述一连串数据分组中的至少某些数据分组包含同步比特字段，所述同步比特字段由所述代码的应用翻译为同步符号模式。
2.根据权利要求1所述的GNSS无线电信号，其中，所述一连串数据分组中的至少每6个数据分组包含由所述代码的应用翻译为所述同步符号模式的所述同步比特字段。
3.根据权利要求1所述的GNSS无线电信号，其中，所述一连串数据分组中的每个数据分组包含由所述代码的应用翻译为所述同步符号模式的所述同步比特字段。
4.根据权利要求1所述的GNSS无线电信号，其中，所述同步符号模式和/或其在数据分组的子群组中的位置识别出所述GNSS无线电信号的发射机或发射机组。
5.根据权利要求1到4中的任意一项所述的GNSS无线电信号，其中，所述一连串数据分组中的所述至少某些数据分组各包含从多个不同的同步比特字段中选择的同步比特字段，从而不同的同步符号模式在所述一连串分组的水平上交替。
6.根据权利要求1到4中的任意一项所述的GNSS无线电信号，其中，所述代码是纠错码。
7.根据权利要求6所述的GNSS无线电信号，其中，所述代码是卷积码，例如具有为7的约束长度和1/2的编码速率。
8.根据权利要求7所述GNSS无线电信号，其中，所述同步比特字段包括填充比特，所述填充比特考虑到所述卷积码的所述约束长度。
9.一种GNSS定位方法，包括：
根据权利要求1到8中的任意一项来接收多个GNSS无线电信号，所述接收包括对所述导航消息的检测，
其特点为：对所述导航消息的检测例如除了对所述同步符号头部的检测之外，包括对所述同步符号模式的识别。
10.根据权利要求9所述的GNSS定位方法，所述方法是一种辅助GNSS定位方法。
11.一种GNSS接收机，包括存储器单元，所述存储器单元包含具有指令的计算机程序，当所述计算机程序被所述GNSS接收机运行时，所述指令使所述GNSS接收机执行根据权利要求9或10所述的方法。
12.一种计算机程序，包括当所述计算机程序被GNSS接收机运行时，使所述GNSS接收机执行根据权利要求9或10所述的方法的指令。
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