CN107771291B - 用于处理来自发射器的信号以定时信号和定位发射器的系统及相关接收站点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理源自发射器的信号的系统的接收站点(1x)，其包括：配置为获取来自发射器的信号的第一接收器(3)，以及配置为获取来自卫星导航系统的信号的第二接收器(4)。所述站点的特征在于所述第一接收器(3)和所述第二接收器(4)由生成本地时基的同一本地时钟同步，获取的信号由所述时基定时。

Description

用于处理来自发射器的信号以定时信号和定位发射器的系统 及相关接收站点

技术领域

本发明涉及接收地理上的远程信号的系统的微调时间同步。特别地，本发明应用于发射器定位领域，并且更具体地，本发明涉及一种用于处理来自发射器的信号以对这些信号进行微调定时以便定位所述发射器的系统。本发明可以被使用而不限于诸如角度测量，方向测定或者寻求操作多个传感器以增加信号接收质量的多输入多输出(Multiple–Input Multiple–Output，MIMO)系统或单输入多输出(Single–Input Multiple–Output，SIMO)系统等的应用。

更普遍的，本发明涉及设有多个传感器的、致力于信号的接收、分析和利用的系统，其为了该目的使用同一个信号(例如在地理上的不同位置处的感知)的不同性质。特别的，所述系统包括信号处理子系统，其能够对这些信号进行微调定时，从而能够充分利用上文提及的不同的性质。

背景技术

对于发射或返回信号的对象的精确远程定位，使用的一种主要方法要求对在不同地点接收到的该信号的相同部分的接收时间之间的差进行微调测量。

为了测量到达时间差(Time Differences of Arrival，TDOA)以及到达频率差(Frequency Differences of Arrival，FDOA)，将这些定时信号进行发射，然后通过通用处理单元中的时间和频率相关性进行比较。在一种现有的微调定时技术中，同步接收器系统通过诸如GPS、格洛纳斯、伽利略或北斗的全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System，GNSS)中的信号接收器接收来自要被定位对象的信号。这些卫星导航系统的信号接收器发射它们的时基。该时基与卫星导航系统的信号同步地被发射到其他信号接收器，然后所述其他信号接收器使用该时基来定时感兴趣的信号的记录。

这项技术将时基传输中的多个误差整合在一起，从而创造了绝对的定时误差。

发明内容

利用本发明，可以提高在多个地点接收的信号的定时精度。

有利地，本发明能够通过来自该发射器的信号在多个地方的记录来定位发射器。

时间误差通常是彼此独立的，特别是在差分同步的情况下(例如在至关重要的定时差的情况下，特别是对于发射器定位应用)不能相互抵消。

在第一方面，本发明涉及用于处理来自发射器的信号的系统的接收站点，包括配置为从发射器获取信号的第一接收器；配置为获取从卫星导航系统接收的信号的第二接收器；站点的特征在于，第一接收器和第二接收器由生成本地时基的同一个本地时钟调整节奏，获取的信号通过所述时基定时。

有利地，本发明第一方面中的接收器站点由以下的特征独自或结合(以任何技术上可能的方式)组成：

第二接收器还配置为解调从卫星导航系统接收的信号，以从中提取绝对时基，然后确定该绝对时基和每个本地时基之间的差，以相对于所述绝对时基重新同步来自发射器的信号。

第一接收器配置为根据绝对时基和本地时基之间的差，相对于所述绝对时基定时来自所述发射器的信号。

第一接收器配置为在绝对时基的预定时期获取来自发射器的信号的部分，并且将这些部分与本地和绝对时基中的所述部分中的时间或定时差一起发送到处理站点。

卫星导航系统包括至少一个卫星星座，每个星座包括多个卫星，第二接收器配置为在自主或监督模式下在卫星导航系统的组成星座之一的多个卫星中选择至少一个卫星，第二接收器获取的信号是从所选择的卫星接收的。

在自主模式下的选择包括在可见的星座中选择海拔高于阈值的至少一个卫星。

第二接收器配置为生成从可见星座中的一个或多个卫星接收的信号的接收质量指标，在自主模式下的选择包括选择所述质量指标高于阈值的至少一个卫星。

第二接收器配置为在监督模式下接收由处理站点发送的关于选择卫星的信息。

第二接收器配置为生成从可见星座中的一个或多个卫星接收的信号的质量指标，所述质量指标被发送至所述处理站点，根据所述质量指标确定所述关于选择一个或多个卫星的信息。

在第二个方面，本发明涉及用于处理来自发射器的信号的处理系统，包括：至少两个根据本发明的第一个方面的接收器站点以及配置为处理由接收器站点发射并定时的信号的处理站点。

有利地，根据本发明第二个方面的处理系统由以下的特征独自或(以任何技术上可能的方式)结合组成：

处理站点包括配置为计算在来自发射器的相同信号的部分之间的到达的时间和/或频率的差的处理单元。

处理单元还被配置为根据计算的到达差确定接收获取到的信号来自的发射器的位置。

每个接收器站点的第二接收器配置为在自主模式下在海拔高于阈值的每个站点的能见度范围内选择至少一个卫星。

处理站点是接收器站点之一。

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，将更清楚本发明的其他特征、目标和优点，该描述仅仅是说明性的而非限制性的。

图1示出了用于处理来自同一个发射器的远程信号的系统；

图2示出了根据本发明的用于处理来自发射器的远程信号的系统的接收器站点；

图3示出了根据传统解决方案的用于处理来自发射器的远程信号的系统的接收器站点

所有附图中的相似部件使用了相同的附图标记。

具体实施方式

关于图1，用于处理来自发射器2的信号的系统包括至少两个接收器站点，其配置为首先从发射器2获取信号，然后获取接收自一个或多个称为“GNSS”系统的卫星导航系统(例如，GPS、格洛纳斯或伽利略)的信号。在图1中示出了3个远程站点1a、1b和1c。发射器2通常是期望定位的卫星，但是其也可以是飞机或诸如移动终端的地面发射器。

处理系统还包括处理站点7，其配置为接收由接收器站点1a、1b和1c发送的信号S_1a,S_1b,S_1c和它们各自的定时T_1a,T_1b,T_1c。特别的，处理站点7能够对发射器2进行定位，也可以实现其他要求同步的应用。

有利地，接收器站点1a，1b，1c中的一个可以包括处理站点7。

参考图2，每个接收器站点1x(x＝a或b或c)包括配置为获取来自发射器2的信号的第一接收器3以及配置为获取来自卫星导航系统5的信号(以下称为GNSS信号)的第二接收器4。

第一接收器3与第一天线31连接，并且第二接收器4与第二天线42连接。有利地，第一和第二接收器3,4可以布置在分别确保接收器3,4的功能的同一个封装中。

由每个接收器站点1x本地产生的同一个本地时钟6x对每个接收器站点1x的第一接收器3和第二接收器4调整节奏并定时。还要注意的是，各接收器站点1x的本地时钟6x彼此不同步。

在本文中指定，“本地时钟”意指一个单元，其允许触发由第一和第二接收器3,4获取的样本，并调整样本的节奏，并且提供它们各自获取的组成样本的公共定时(时间参考)。同时获取GNSS信号和来自发射器2的信号，使得在每个接收器站点1a，1b，1c处准确地定时来自发射器2的每个信号成为可能。

GNSS系统的所有卫星都通过一个共同的GNSS时基t_GNSS(称为绝对时基)彼此同步。

每个接收器站点1x的第一接收器3配置为以由本地时钟6提供的时基t_61x(x＝a或b或c)调整节奏且定时的方式得到从发射器2获取的信号S_1x(x＝a或b或c)。

每个接收器站点1x的第二接收器4配置为处理GNSS信号，以便通过处理和解调GNSS信号以执行重建的绝对时基t_GNSS–x(x＝a或b或c)的本地重建。此外，由本地时钟6x调整节奏的第二接收器配置为永久地确定由本地时钟6产生的本地时基t_61x与重建的GNSS时基t_GNSS-x之间的时间差的值Δ_1x(x＝a或b或c)。

通过加上时钟差信号Δ_1a，Δ_1b，Δ_1c，接收器站点1a，1b，1c能够将任何以本地时基t_61a，t_61b，t_61c定时的信号S_1a,S_1b,S_1c转换为以GNSS系统的重建的GNSS时基t_GNSS–a,t_GNSS–b,t_GNSS–c定时的具有时间T_1a,T_1b,T_1c的信号S_1a,S_1b,S_1c。因此，当生成最小时基t_GNSS–a,t_GNSS–b,t_GNSS–c时，信号根据准确性降低到重建误差的时基t_GNSS定时，并且允许处理系统的接收器站点1a，1b，1c在时间和频率上同步的断言。

每个接收器站点1a、1b、1c将来自发射器2的信号S_1a,S_1b,S_1c连同它们在时基t_GNSS中的重建的时间T_1a，T_1b，T_1c发射到处理站点7。

因此，与传统系统相反，第二接收器4不会重建与GNSS时基同步的本地参考时钟，而是计算允许将接收器3和4共用的本地时钟t_61a，t_61b，t_61c转换为绝对GNSS时基t_GNSS-a，t_GNSS-b，t_GNSS-c的时间差。

在传统架构内，该重建时钟可被用于对第一接收器3调整节奏。因此，在这种传统架构内，除了由接收器4重建绝对时基t_GNSS-a，t_GNSS-b，t_GNSS-b的精度之外，时钟的合成及其传送也是同步误差的主要来源。图3示出了其中的每个接收器3,4都具有其自身的时钟h3，h4的传统架构。

另一方面，使用由同一本地时钟调整节奏的两个相同的接收器3和4允许第一和第二接收器3,4之间的同步误差减少至模数转换器的固有抖动，这种抖动远远低于由时钟域中的变化所施加的抖动，时钟域中的变化所施加的抖动要求基于GNSS信号的处理和其从一个接收器到另一个接收器之间的传送来重新生成时钟信号。因此，接收器3的相对于绝对时基的同步精度基本上减少到了由接收器4重建绝对时基t_GNSS–a,t_GNSS–b,t_GNSS–b的精度。

回到图1，处理站点7包括处理单元8，其配置为比较所有来自发射器2的信号S_1a,S_1b,S_1c和定时的时间T_1a,T_1b,T_1c，并且之后确定两次不同获取之间的信号S_1a,S_1b,S_1c的两个相同部分之间的时间差Δt1,Δt2。

因此，这些时间差是由地理上分开的两个站点接收的来自发射器2的同一信号的到达时间差，记作TDOA。

诸如在站点1a和1b之间的测量的TDOA正是信号从发射器2到达站点1a和到达站点1b花费的传播时间的差，信号从发射器到接收器站点1a和1b的传播时间其实是由发射器2的运动的已知物理模型确定的，并且非常精确的知道接收器站点的地理位置，而发射器2在发射信号时的位置是未知的，尚待确定。

通过使用站点的精确地理坐标、在一定的测量周期内从至少两对站点获得的TDOA、发射器2的运动模型以及信号在将发射器2与接收器站点分开的介质中的传播模型，然后就可以精确地定位发射器并确定其传播路径。

如前所述，重建的绝对时基t_GNSS–a,t_GNSS–b,t_GNSS–b被认为是相同的。然而，可能会出现绝对同步误差。该同步误差减少至抖动误差JitterErr_x(x＝a或b或c)(其是传送时间T_61a到第一和第二接收器3,4的差的误差)以及重建误差(t_{GNSS x}–t_GNSS)。

因此，举例来说，如果我们看两个接收器站点1a，1b之间的差分同步Delta T的精确度，我们得到：

Delta T＝(t_{GNSS a}+JitterErr_a)–(t_{GNSS b}+JitterErr_b)

＝((t_{GNSS a}–t_GNSS)–(t_{GNSS b}–t_GNSS)+(JitterErr_a–JitterErr_b)

＝(ErrRecGNSS_a–ErrRecGNSS_b)+(JitterErr_a–JitterErr_b)

其中，ErrRecGNSS_a是在站点1a的接收器3中的GNSS时间的重建误差信号。

因为，与抖动相关的误差与重建误差相比可以减少至非常低的水平，同步误差的主要项是重建误差的差t_{GNSS a}–t_GNSS。

在本发明的一个实施例中，通过迫使每个接收器站点的第二接收器4仅考虑一个(或多个)GNSS星座中的具体选择的一个或多个卫星，GNSS时间的重建误差的差得以减少。该选择可能随时间而改变。选择标准可以由每个站点自主应用。

该选择标准可以仅考虑接收的星座中具有比来自所有接收器站点的最小值高的最高海拔的N颗卫星。

在另一个实施例中，GNSS信号的第二接收器4可以产生来自GNSS星座的不同卫星的信号的接收质量指标。在这些条件下，用于同步的卫星的选择标准仅仅应用于接收质量指标高于用于所有接收器站点的阈值的那些卫星。特别地，如果选择标准由每个接收器站点自主计算，则可以使用以前每个站点可用的、特定于全球系统的信息(例如每个站点的地理坐标)来确定。

在另一个实施例中，用于重建时间t_GNSS–a,t_GNSS–b,t_GNSS–c的卫星的选择由通知其中每个站点的主站点7来执行。该选择可以根据站点7可用的信息(接收器站点的位置和使用的GNSS星座的卫星星历)，或者根据由不同接收器站点测得的信息事先确定。最后，在最后一个实施例中，卫星的选择模式可以由站点7监督模式切换为自主模式，特别是当站点7和一个或多个接收器站点之间的连接中断时。

最后，如果有几个接收器站点参与接收来自发射器的信号，则要注意确保对于所有的站点所选的卫星是相同的，那么在该情况下，对于所有的站点，卫星的选择标准都是相同的。

Claims (14)

1.用于处理来自待定位的发射器（2）的信号的系统的接收器站点（1x），所述接收器站点（1x）被配置为获取来自所述待定位的发射器（2）的信号以及来自至少一个卫星导航系统（5）的信号，所述接收器站点（1x）包括：

第一接收器（3），配置为获取来自待定位的发射器（2）的信号；

第二接收器（4），配置为获取来自卫星导航系统（5）的信号；

本地时钟（6），配置为用于生成本地时基；

所述站点的特征在于，所述第一接收器（3）和所述第二接收器（4）由生成本地时基（t_6–1a，t_6–1b，t_6–1c）的同一个本地时钟（6）调整节奏，样本由所述本地时基定时。

2.根据权利要求1所述的接收器站点（1a，1b，1c），其中，所述第二接收器（4）还配置为解调从所述卫星导航系统（5）接收的信号，以从中提取绝对时基（t_GNSS–a，t_GNSS–b，t_GNSS–c），并且然后确定该绝对时基和每个本地时基（t_6–1a，t_6–1b，t_6–1c）之间的差（△1a，△1b，△1c），以相对于所述绝对时基重新同步来自所述发射器（2）的信号（S_1a，S_1b，S_1c）。

3.根据权利要求2所述的接收器站点（1a，1b，1c），其中，所述第一接收器（3）配置为根据所述绝对时基（t_GNSS–a，t_GNSS–b，t_GNSS–c）和所述本地时基之间的差（△1a，△1b，△1c），相对于所述绝对时基定时来自所述发射器的信号。

4.根据权利要求3所述的接收器站点（1a，1b，1c），其中，所述第一接收器（3）配置为在所述绝对时基的预定时期获取来自所述发射器的信号的部分，并将所述部分与所述绝对时基中的定时一起发送至处理站点（7）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的接收器站点，其中，所述卫星导航系统（5）包括：至少一个卫星星座，每个星座包括多个卫星，其中，所述第二接收器（4）配置为在自主或监督模式下从包含在所述卫星导航系统（5）中的至少一个星座中选择至少一个卫星，所述第二接收器（4）获取的信号是从所选择的卫星接收的。

6.根据权利要求5所述的接收器站点，其中，在自主模式下的选择包括在可见的星座中选择海拔高于阈值的至少一个卫星。

7.根据权利要求5所述的接收器站点，其中，所述第二接收器（4）配置为生成从可见星座中的一个或多个卫星接收的信号的接收质量指标，在自主模式下的选择包括选择所述质量指标高于阈值的至少一个卫星。

8.根据权利要求5所述的接收器站点，其中，所述第二接收器（4）配置为在监督模式下接收由处理站点（7）发送的关于选择一个或多个卫星的信息。

9.根据权利要求8所述的接收器站点，其中，所述第二接收器（4）配置为生成从可见星座中的一个或多个卫星接收的信号的质量指标，所述质量指标被发送至所述处理站点（7），根据所述质量指标确定所述关于选择一个或多个卫星的信息。

10.一种处理系统，用于处理来自待定位的发射器（2）的信号，所述处理系统包括：

至少两个根据权利要求1至9中任一项所述的接收器站点（1a，1b，1c）；

处理站点（7），配置为处理由所述接收器站点（1a，1b，1c）发射并定时的信号。

11.根据权利要求10所述的处理系统，其中，每个接收器站点的第二接收器配置为在自主模式下，在高于阈值的海拔处，在每个站点的能见度范围内选择至少一个卫星。

12.根据权利要求10到11中任一项所述的处理系统，其中，所述处理站点（7）包括处理单元（8），配置为计算在来自发射器的相同信号的部分在至少两个接收器站点之间的到达时间差（△t1）和/或频率差（△f1）。

13.根据权利要求12所述的处理系统，其中，所述处理单元（8）还配置为根据计算的到达时间差（△t1）和/或频率差（△f1）确定所接收到的获取的信号来自的发射器（2）的位置。

14.根据权利要求10到11中任一项所述的处理系统，其中，所述处理站点（7）是所述接收器站点（1a，1b，1c）之一。

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