CN104956238A - 用于确定表面声波滤波器的传播时间的方法和设备 - Google Patents

用于确定表面声波滤波器的传播时间的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于通过卫星进行定位的系统的接收器，包括：信道滤波器(SAW)，由卫星传输并由接收器接收的信号在信道滤波器内沿着直接路径和奇数个的间接路径进行传播；信道滤波器上游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器(C1)；其特征在于，所述接收器包括：偏移寄存器(RD)，其被配置为产生多个所述代码的本地副本(SR2)，所述代码的本地副本互相偏移比如以覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；第二相关器(C2)，其相对于所述控制相关器偏移一时间，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述第二相关器被配置为在由卫星传输的信号进行扩频的代码与由偏移寄存器产生的所述本地副本之间进行相关处理，并用于检测相关峰值；所述相关峰值对应于由所述卫星传输并且在所述信道滤波器内沿三重间接路径传播的所述信号的获取。

Description

用于确定表面声波滤波器的传播时间的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于GNSS(全球导航卫星系统)卫星定位的接收器领域。更具体地，本发明致力于通过评估接收器内并且尤其是该接收器的信道滤波器内的卫星信号的传播时间，来减少可能会影响由该接收器传送的定位数据的误差。
本发明尤其适用于由GPS(全球定位系统)、格洛纳斯(Glonass)系统、伽利略(Galileo)系统以及其他类似的使用卫星的定位系统所传输的信号的接收器。
背景技术
卫星定位接收器使用由环绕地球的轨道中的多个卫星所传输的信号。
尤其是通过多个信道(每个信道与卫星相关联)可建立起对卫星的跟踪(对卫星信号的跟踪)。
每颗卫星通过将伪随机扩频码与包括卫星上的星历数据及其他数据的导航信息(即，限定其轨道和变化的作为时间函数的元素)结合，在一个或多个给定的频率上传输相位调制信号。
通过卫星进行的定位测量由每颗卫星传输的射频信号的传播。这些传播时间乘以信号的传输速度得到卫星-接收器距离(本领域技术人员广泛地称之为“伪距离”)。与通过星历数据计算的卫星的位置相关联的这些距离使得能够计算接收器的位置以及接收器的时钟相对于卫星的时钟的偏差。
因为射频信号沿行进路径的传播速率不是恒定的，尤其在电离层中，由于传播时间的延长会使计算的距离失真。为了实质地减少影响传播时间的误差，必须进行被称为双频校正的校正。这个校正使用由各个卫星在两个不同频带上传输的两个信号的传播时间的差异。
测量的传播时间的差异还包括接收器内传播时间的差异，由于是在两个单独的路径上处理两个信号，所以在接收器内传播时间的差异是非零的。关于与接收器相关的传播时间差异的不确定性(虽然限制到几纳秒)在双频校正后转化为几米的定位误差。这一传播时间差异的不确定性与以下事实相关：不同接收器的传播时间不是恒定的，传播时间与温度相关以及还会受到接收器老化的影响。
对GNSS接收器的传播时间并由此对关于传播时间的差异的不确定性的主要贡献者是信道滤波器。信道滤波器是用于对所有能够使接收器饱和的带外寄生信号进行强衰减的无线电接收器的基本部件。这一滤波器通常是表面声波(SAW，Surface Acoustic Waves)滤波器，这是由于表面声波滤波器在选择性、相位线性、体积、重量等方面具有众多优势。
在双频校正之后，如果确切地知道SAW滤波器的TP值(标称值，随温度和老化而改变)，就能够显著地减小使用SAW滤波器的GNSS接收器的定位误差。
目前所使用的方案如下：
通过对来自同一基底(晶圆)的滤波器进行排序来降低传播时间的分散；
通过在维护维修和检修(maintien en conditions opérationnelles,MCO)阶段期间进行新的校准来补偿由于老化而产生的传播时间的漂移。
然而，尽管在生产时进行排序，仍然有必要为大误差估算(处于GNSS系统自身的精确度的量级)做好准备以便能够跟踪SAW滤波器的时间和温度特性。
发明内容
本发明的目的在于通过更多地了解穿过接收器的信道滤波器的传播时间来提高GNSS接收器的精确度。
为达到上述目的，本发明根据第一方面提出了一种用于卫星定位系统的接收器，该接收器包括：
包括输入换能器和输出换能器的信道滤波器，其中，由卫星传输并由接收器接收的信号的传播沿着与输入换能器和输出换能器之间的直接传递对应的直接路径行进，并且由于所述输入换能器和所述输出换能器上的多重反射沿着与2n+1倍的直接路径对应的间接路径行进，其中n是大于等于1的整数；
信道滤波器下游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器，该控制相关器以由卫星传输的信号的扩频码与由接收器产生的所述扩频码的本地副本之间的相关峰值为中心；
其特征在于，该接收器包括：
移位寄存器，其被配置为产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本以便覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；
第二相关器，其相对于控制相关器偏移一时间，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述第二相关器被配置为在由卫星传输的信号的扩频码与由移位寄存器产生的本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述相关峰值对应于由卫星传输并且在信道滤波器内沿三重间接路径传播的信号的获取。
该接收器的优选的但非限制性的方面如下：
接收器还包括计算机，该计算机被配置为使用控制相关器的相关峰值计算到卫星的伪距离和使用第二相关器的相关峰值计算到卫星的伪距离，所述计算机还被配置为通过将前述伪距离之间的差值除以2，来计算穿过所述信道滤波器的直接传播的传播时间；
控制相关器和第二相关器在积分时间上对相关结果求积分，第二相关器的积分时间比控制相关器的积分时间长。
根据第二方面，本发明涉及一种在卫星定位系统的接收器中确定由卫星传输的信号的传播时间的方法，接收器包括：
包括输入换能器和输出换能器的信道滤波器，其中，由卫星传输并由接收器接收的信号的传播沿着与输入换能器和输出换能器之间的直接传递对应的直接路径行进，并且由于所述输入换能器和所述输出换能器上的多重反射沿着与2n+1倍的直接路径对应的间接路径行进，其中n是大于等于1的整数；
信道滤波器下游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器，该控制相关器以由卫星传输的信号的扩频码与由接收器产生的所述代码的本地副本之间的相关峰值为中心；
其特征在于，该方法应用以下步骤：
产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本以便覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；
借助于相对于所述控制相关器偏移一时间的第二相关器，来在由卫星传输的信号的扩频码与由移位寄存器产生的本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述相关峰值对应于由卫星传输并且在信道滤波器内沿三重间接路径传播的信号的获取。
附图说明
本发明的其他方面，目的和优势将通过阅读以下对优选实施例的详细描述而变得清楚，详细描述参考附图以非限定性示例的方式给出，在附图中：
图1为表面声波滤波器的简化示意图；
图2示出了信号在根据图1的滤波器内沿单一和三重路径的传播；以及
图3为示出了依照本发明的GNSS接收器的示意图。
具体实施方式
本发明的第一方面涉及一种用于卫星定位的GNSS接收器。结合图1和图2，这种接收器按常规包括信道滤波器，信道滤波器典型地为表面声波滤波器(SAW)(在下述部分中对SAW的非限制性引用将作为示例)，表面声波滤波器使得能够在被蚀刻在石英基板上的两个换能器TE，TS之间选择性地传输声波。电声转换和声电转换通过位于输入和输出换能器TE，TS处的压电效应得到。
由于换能器不是完善的，因此建立起声波的数个传播路径T1-T3。例如，由卫星传输并由接收器接收的信号E在SAW滤波器中沿与输入和输出换能器TE，TS之间的直接传递对应的直接路径T1传播以给出输出信号S1。
由于输入换能器和输出换能器TE，TS上的多重反射R1,R2(失配)，信号E沿与2n+1倍的直接路径对应的间接路径进行传播，其中n是大于等于1的整数。与路径T1，T2与T3的和对应的三重路径提供了输出信号S3，该输出信号S3具有较直接路径的信号S1低的水平，典型地具有大约30dB的水平。
本发明提出将GNSS信号的时间测量能力与形成来源于间接路径的信号的SAW滤波器的缺陷相结合以便确定其传播时间。如下面给出的详细描述，一旦卫星信号已被跟踪，本发明就更具体地提出确定该卫星信号的单一路径和三重路径的伪距离，然后通过将这些伪距离相减并将所得的结果除以2来推断出SAW滤波器的传播时间。这些伪距离之间的差值有效地对应于三重路径中由信号S3行进的附加路径，即图2中所示的T2+T3。
GNSS信号的波形通过设计使得能够测量该GNSS信号在对其进行传输的卫星与对其进行接收的接收器之间的传播时间。通过二进制伪随机序列进行扩频的GNSS信号的载体可被检测到，只要对处于同一频率并通过同一序列扩频的本地信号进行了相关处理。此外，本地信号的扩频序列必须与接收到的卫星信号的扩频序列同步。结合这些条件，本地信号的代码的位置(通常称为伪距离)是传播时间的图像。使用来自至少四颗卫星的导航信息的数据，能够根据这些伪距离确定接收器的位置。
参照附图3，在信道滤波器的SAW滤波器的下游的GNSS接收器按照常规包括多个跟踪信道，每个跟踪信道与卫星相关联，并且每个信道中具有由至少一个控制相关器C1控制的跟踪回路，其中至少一个控制相关器C1以由卫星传输的信号SSAT的扩频码与由集成在接收器内的副本信号发生器G1产生的所述扩频码的本地副本SR1之间的相关峰值为中心。
事实上，已知每个跟踪信道包括三个相关器，即被供给扩频码的准时副本的相关器(所谓的“及时”相关器)、被供给扩频码的D/2码片向前(en avance)偏移副本的相关器(所谓的“超前”相关器)以及被供给扩频码的D/2码片向后(en retard)偏移的相关器(所谓的“滞后”相关器)。代码的跟踪回路通过将代码副本的产生置于特征函数“超前”减去“滞后”的“零点”使“及时”相关器永久地保持在相关峰值上。在本说明书中，“及时”相关器被称为术语控制相关器。
由此，信道的跟踪回路使得能够沿着信号路径并通过计算机C(这里描述的计算机C还要负责确保对跟踪回路的控制)跟踪信号，推断与信号在SAW滤波器内的单一路径对应的到卫星的伪距离。
根据本发明，当跟踪卫星信号(信号路径)时，本发明的GNSS接收器通过信道分配器定位处于相同频率的第二信道作为跟踪信道以识别三重路径的信号。
更具体地，本发明的GNSS接收器包括馈送移位寄存器RD的第二副本发生器G2，该第二副本发生器G2被配置为产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本以便覆盖一时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍(典型地大约为±10纳秒)相对应。
GNSS接收器还包括第二相关器C2，该第二相关器C2相对于控制相关器偏移一时间，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述第二相关器被配置为在由卫星传输的信号的扩频码与由移位寄存器产生的所述本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述相关峰值对应于由卫星传输并在信道滤波器内沿着三重间接路径传播的信号的获取。
因此，为了确定三重路径信号，研究与第二相关器C2的偏移(相对于控制相关器C1偏移一时间，所述时间与直接传播的经估计时间的两倍相对应)相邻的时隙，这些时隙覆盖两倍于这个估计的不确定性。
计算机C还被配置为使用第二相关器C2的相关峰值计算与信号在SAW滤波器内的三重路径对应的到卫星的伪距离。计算机C还被配置为通过用2除与信号的单一路径对应的到卫星的伪距离和与信号的三重路径对应的到卫星的伪距离之间的差值来计算穿过信道滤波器的直接路径传播时间。
精确地知道这个传播时间使得能够显著地提高GNSS接收器的时间和位置精确度。因此，在双频P代码中能够实现度量精确度。
本身已知控制相关器C1与第二相关器C2在积分时间上对相关结果求积分。为了允许充分探测比单一路径的信号的功率低的三重路径的信号，第二相关器的积分时间比控制相关器的积分时间要长。例如，当控制相关器的积分时间大约为一毫秒时第二相关器的积分时间大约为一秒。
在上述内容中，对用于与卫星相关联的跟踪信道的SAW滤波器的传播时间的测量给出了描述。这个测量显然可以用于由相同SAW滤波器馈送的不同的跟踪信道。
注意到，对于多元星座接收(réception multi-constellations)，必须对所使用的每个GNSS带执行这个测量(对于GPS是L1，L2，L5；对于GALILEO是E1，E5，E5)。
对于在数个天线上的接收，注意到必须对每个与天线相关联的接收器链执行这个测量。因此，采用本发明可以以连续的方式从一个天线到另一个天线对卫星信号进行跟踪。对卫星信号的跟踪还可以从一个天线切换到另一个天线，所述切换尤其适用于旋转载体(例如火箭，导弹)。
可以确定的是本发明证明了在与操作需要(连接的天线，卫星的能见度等)的条件相同的条件下执行三重路径的测量是有益的。不需要任何外部测量装置并且也能够克服返厂进行定期校准的限制。
本发明还使得能够连续实时测量信道滤波器的传播时间，由此使得能够对由于与信道滤波器中传播时间的不确定性有关的误差而具有缺陷的伪距离测量值进行实时校正。连续测量尤其允许考虑例如在接收器的冷启动之后的暖机期间的温度偏差。测量的实时性能可以在接收GNSS信号时没有任何的中断。
可以理解的是本发明并不限制于GNSS接收器，而且还扩展到一种用于在卫星定位系统的接收器中确定由卫星传输的信号的传播时间的方法，接收器包括：
包括输入换能器和输出换能器的信道滤波器，其中，由卫星传输并由接收器接收的信号的传播沿着与输入换能器和输出换能器之间的直接传递对应的直接路径行进，并且由于所述输入换能器和所述输出换能器上的多重反射沿着与2n+1倍的直接路径对应的间接路径行进，其中n是大于等于1的整数；
信道滤波器下游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器，该控制相关器以由卫星传输的信号的扩频码与由接收器产生的所述扩频码的本地副本(SR1)之间的相关峰值为中心；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本以便覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；
借助于相对于所述控制相关器偏移一时间的第二相关器，来在由卫星传输的信号的扩频码与由移位寄存器产生的本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述相关峰值对应于由卫星传输并且在信道滤波器内沿三重间接路径传播的信号的获取。
本方法典型地使用了连续的实时计算步骤，用以使用控制相关器的相关峰值计算到卫星的伪距离，使用第二相关器的相关峰值计算到卫星的伪距离，并且通过将前述伪距离之间的差值除以2，来计算穿过所述信道滤波器的直接传播的传播时间。
该方法还包括校正步骤，用以在考虑穿过所述信道滤波器的所述直接路径传播时间的情况下对使用所述控制相关器的所述相关峰值所计算的到所述卫星的伪距离加以校正。

Claims (7)

1.一种用于卫星定位系统的接收器，所述接收器包括：
包括输入换能器(TE)和输出换能器(TS)的信道滤波器(SAW)，其中，由卫星传输并由所述接收器接收的信号的传播沿着与所述输入换能器和所述输出换能器之间的直接传递对应的直接路径行进，并且由于所述输入换能器和所述输出换能器上的多重反射沿着与2n+1倍的所述直接路径对应的间接路径行进，其中n是大于等于1的整数；
所述信道滤波器下游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器(C1)，该控制相关器(C1)以由所述卫星传输的所述信号的扩频码与由所述接收器产生的所述扩频码的本地副本(SR1)之间的相关峰值为中心；
其特征在于，所述接收器包括：
移位寄存器(RD)，其被配置为产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本(SR2)以便覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；
第二相关器(C2)，其相对于所述控制相关器偏移一时间，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，该第二相关器被配置为在由所述卫星传输的所述信号的所述扩频码与由所述移位寄存器产生的所述本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述相关峰值对应于由所述卫星传输并且在所述信道滤波器内沿三重间接路径传播的所述信号的获取。
2.根据权利要求1所述的接收器，进一步包括计算机(C)，该计算机(C)被配置为使用所述控制相关器的所述相关峰值计算到所述卫星的伪距离和使用所述第二相关器的所述相关峰值计算到所述卫星的伪距离，所述计算机还被配置为通过将前述伪距离之间的差值除以2，来计算穿过所述信道滤波器的直接传播的传播时间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中，所述控制相关器(C1)和所述第二相关器(C2)在积分时间上对相关结果求积分，所述第二相关器的积分时间比所述控制相关器的积分时间长。
4.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中，所述信道滤波器是表面声波滤波器。
5.一种用于在卫星定位系统的接收器中确定由卫星传输的信号的传播时间的方法，所述接收器包括：
包括输入换能器和输出换能器的信道滤波器(SAW)，其中，由卫星传输并由所述接收器接收的信号的传播沿着与所述输入换能器和所述输出换能器之间的直接传递对应的直接路径行进，并且由于所述输入换能器和所述输出换能器上的多重反射沿着与2n+1倍的所述直接路径对应的间接路径行进，其中n是大于等于1的整数；
所述信道滤波器下游的跟踪回路，该跟踪回路受控于控制相关器(C1)，该控制相关器(C1)以由所述卫星传输的所述信号的扩频码与由所述接收器产生的所述扩频码的本地副本(SR1)之间的相关峰值为中心；
其特征在于，所述方法执行以下步骤：
产生互相移位的所述扩频码的数个本地副本(SR2)以便覆盖时间窗口，所述时间窗口与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计传播时间的不确定性的两倍相对应；
借助于相对于所述控制相关器偏移一时间的第二相关器(C2)，来在由所述卫星传输的所述信号的扩频码与由所述移位寄存器产生的所述本地副本之间进行相关处理，并且检测相关峰值，所述时间与穿过所述信道滤波器的直接传播的经估计时间的两倍相对应，所述相关峰值对应于由所述卫星传输并且在所述信道滤波器内沿三重间接路径传播的所述信号的获取。
6.根据前述权利要求所述的方法，进一步包括连续的实时计算步骤，用以使用所述控制相关器的所述相关峰值计算到所述卫星的伪距离，使用所述第二相关器的所述相关峰值计算到所述卫星的伪距离，并且通过将前述伪距离之间的差值除以2，来计算穿过所述信道滤波器的直接传播的传播时间。
7.根据前述权利要求所述的方法，进一步包括校正步骤，用以在考虑穿过所述信道滤波器的直接传播的传播时间的情况下对使用所述控制相关器的所述相关峰值所计算的到所述卫星的伪距离加以校正。
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