CN108226963B - 在微扰环境中具有改进的精度的简化的gnss接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可以连接到标准GNSS接收机的天线组件。该天线组件包括天线元件，该天线元件被配置成成形辐射方向图，该辐射方向图在GNSS接收机的移动方向上是定向的并且具有可能受限的接收机上方的FOV。在LOS中接收到的信号将比非LOS信号具有好得多的C/N0。在一些实施例中，取决于承载接收机的车辆的配置，FOV可以向左或向右扭转。在一些实施例中，天线组件能够以多种模式操作，这些模式将明显不同于接收机上方的辐射方向图的FOV。模式之间的切换可以手动地或自动地触发，并且可以基于漫游器移动的区域中的多路径反射的普遍性和/或类型的确定。该确定可以基于传感器处理或者将给到来自数据库和/或地图的多路径反射的索引的粗略位置的确定。

Description

在微扰环境中具有改进的精度的简化的GNSS接收机
技术领域
本发明涉及一种GNSS接收机。更具体地说，天线的辐射方向图可以被成形(shape)为向标准GNSS接收机提供更高比例的视线(LOS)信号，然后将更好地保护标准GNSS接收机而抵制可能降低导航系统的总体精度的非LOS信号。
背景技术
导航接收机的使用在日常生活中变得越来越普遍。汽车的车载电子设备、智能手机、平板电脑包括导航接收机并且其上运行的应用程序捕获终端的用户的位置和轨迹作为输入信息愈加常见。
导航接收机依靠由中等地球轨道卫星发射的L频段RF(射频)信号，中等地球轨道卫星通常包括在包括数十个中等地球轨道卫星的星座中以覆盖地球表面的大部分，诸如GPSTM(US)，GalileoTM(欧洲)，GlonassTM(俄罗斯)和BeidouTM(中国)。这些星座是按照GNSS(全球导航卫星系统)的通用首字母缩写来表示的。
GNSS载波信号由允许计算接收机和确定卫星之间的伪距的伪随机码和导航消息来调制。使用最少四个伪距，可以计算接收机的位置、速度和时间(PVT)。在消费者所使用的类型的接收机中，位置信息是直接用于计算导航解的那个位置信息。
PVT测量受到许多误差的影响，其中一些误差是所使用的测量原理固有的(即，由于RF信号通过大气(电离层和对流层)的轨迹偏差，这是由于卫星的轨道变化导致的)，是接收机和卫星缺陷所固有的(例如时钟偏差)，或者是在某个时刻视野中的卫星的一些配置所固有的(即卫星在地平线上的提升；可见卫星的低散布-高DOP，精度稀释的首字母缩略词)。可以使用许多校正来缓和这些误差，或者使用特定的处理技术，这些处理技术仅对某些类型的接收机可用(例如，双频接收机可以缓和电离层误差，从几十米到几米或更好的精度增益，这取决于校正的质量、接收机的质量和接收机天线的质量)。精确点定位或PPP可以达到更好的精度，因为使用了多个附加的误差校正，包括接收机和卫星偏差。差分GPS(DGPS)或实时运动学(RTK)由于集成了外部信息(相对于具有已知位置的多个固定参考站的相对定位)，因此提供几十厘米的精度。
以一致和高效的方式缓和取决于接收机的位置的一些误差是更加困难的，特别是当这个位置可能在附近具有反射导航RF信号和/或掩蔽在此时刻应当处于视线(LOS)中的多个卫星的一个或多个对象时。在这种情况下，在获取GNSS信号时和跟踪所述信号时，在所有其他的误差原因是相等的情况下，PVT的计算精度可能相当差。
在城市峡谷(即摩天大楼之间的街道)中，周围障碍物不仅会增加由于多路径(用户等效距离误差或UERE)而导致的卫星伪距的确定的误差，而且会增加(几何)精度稀释(GDOP或DOP)，因为天线的视场将变窄，从而限制了由于使用附加卫星原本可能的精度的增加。
UERE的降级是由跟踪环路获取或跟踪的确定卫星的信号损伤引起的。对卫星的跟踪依赖于所获取的代码信号与接收机产生的每个卫星特定的代码信号的多个本地复制品之间的相关函数的最大化。相关函数将被多路径损坏，并且卫星信号可能没有被正确地获取或者可能丢失。即使信号跟踪仍然可以实现，信号损伤将影响相关函数的形状，从而使伪距估计以及UERE降级。
因此，大多数抑制技术依赖于在关联阶段应用的具体处理。对于可应用的这些现有技术的一般概述，参见例如Bhuiyan等人，“Advanced Multipath MitigationTechniques for Satellite-Based Positioning Applications”，InternationalJournal of Navigation and Observation，第2010卷，文章ID412393。这些技术是：使用窄相关器(即，相关器间隔远远小于码片)；每个跟踪信道使用许多相关器而不是标准的三个相关器，并执行双Delta计算或应用信号质量监测(SQM)技术；多路径估计延迟锁定环(MEDLL)，其使用相关函数的输出来估计包括LOS和非LOS信号之和的确定卫星的全导航信号。
所有这些解决方案对于在硬件级别或者在软件级别或者两者都是实施起来复杂且昂贵。无论如何，它们难以用于智能电话或汽车导航系统中使用的类型的消费者接收机中。
已经尝试了缓和多路径的其他尝试，例如，由瑞士联邦技术学院，苏黎世，2009的“Satellite Tracking from Camera:The Inverse GPS Problem”中由Neuenschwander所述类型的解决方案。在这种方法中，获取接收机环境的图像；使用相对于GNSS接收机固定的惯性导航系统(INS)的输出将图像转换成地球中心地球固定坐标，并且从图像处理的输出与卫星星历表之间的比较中扣除LOS中的卫星，卫星星历表根据位置处的时间给出星座的卫星的位置。
这样的解决方案实现起来相当复杂，因为它们需要INS平台和外部数据，并且它们需要相当大的处理能力。
因此找到一种可以在普通公众可用的经典接收机中实现的缓和多路径的影响的解决方案是重要。
本申请的发明人在欧洲专利申请第16305611.2号中提出了一种新的解决方案。该解决方案在于使用天线组件，该天线组件的辐射方向图可以基于由传感器确定的接收机上方的LOS视场的确定来重新配置。
在一些应用中，仍然期望提供更简单的解决方案。
本发明公开了克服前述缺点的解决方案。
发明内容
本发明的目的是为了满足更简单、紧凑和成本有效的解决方案的需要。为此，本发明尤其公开了一种天线组件，其辐射方向图被成形为衰减多路径反射。
为此，本发明公开了一种天线组件，其被配置为在具有参考系(x，y，z)的漫游器处接收GNSS信号，所述接收处于至少第一模式，扇区辐射方向图具有在(x，z)平面中具有窄孔径并且在(y，z)平面中具有宽孔径的主瓣。
有利地，扇区辐射方向图在(x，z)平面中被偏指(depointed)。
有利的是，本发明的天线组件包括具有相同形状因子的N个天线元件，N大于1，N个天线元件在方向(x)上对齐并且间隔均等距离d。
有利地，N个天线元件是布置在(x，y)平面中的贴片天线元件或者在(x，z)平面中竖立的单极、偶极或螺旋元件之一。
有利的是，本发明的天线组件还包括馈送电路，该馈送电路被配置为将在所有或部分N个天线元件处接收的GNSS信号馈送到GNSS接收机的RF前端。
有利地，馈送电路包括一个或多个组合器/拆分器，其被配置为将从两个或更多个天线元件接收的GNSS信号组合为单个GNSS信号。
有利地，馈送电路包括一个或多个移相器，移相器被配置为给出从第一天线元件到行中下一个天线元件线性变化的预定相移。
有利地，馈送电路包括一个或多个开关，其被配置为激活/去激活N个天线元件中的一个或多个。
有利地，馈送电路包括至少一个模数转换器和波束成型电路。
有利的是，本发明的天线组件进一步包括控制逻辑，其被配置为生成要发送到馈送电路以修改(x，z)平面中的扇区辐射方向图的孔径及其偏指中的一个或多个的控制命令。
有利地，本发明的天线组件被配置成以具有不同于第一模式的辐射方向图的辐射方向图的至少第二模式操作。
本发明还公开了一种设计天线组件的方法，该天线组件适于在具有参考系(x，y，z)的漫游器处接收GNSS信号，所述接收处于至少第一模式，其中扇区辐射方向图具有一个主瓣，主瓣在(x，z)平面上有窄孔径，在(y，z)平面上有宽孔径。
有利地，本发明的方法包括：在(x，z)平面中定义扇区辐射方向图的主瓣的期望孔径的一个或多个值；在(x，z)平面中定义期望偏指的一个或多个值；将具有给定形状因子的一个或多个数量N的天线元件定义为在x方向上对齐并具有均等间距d；定义相移
Figure GDA0001624974620000041
的一个或多个值，以线性地应用于全部或部分N个天线单元；其中数量N、间距d和相移是根据期望孔径的一个或多个值以及期望偏指的一个或多个值来选择的。
本发明还公开了一种被配置为定位在具有参考系(x，y，z)的漫游器中的GNSS接收机，所述GNSS接收机包括到被配置为接收GNSS信号的天线组件的连接，所述接收处于至少第一模式，其中扇区辐射方向图具有在(x，z)平面中具有窄孔径且在(y，z)平面中具有宽孔径的主瓣。
有利的是，本发明的GNSS接收机还包括处理逻辑，用于生成要发送到天线组件以从第一接收模式切换到第二接收模式的命令。
有利的是，生成的被发送到天线组件的命令包括扇区辐射方向图的主瓣的孔径角和(x，z)平面中的偏指角中的一个或多个。
在其一些实施例中，天线组件被配置为以多种不同模式操作，每种模式适应于不同的区域，每个区域具有不同水平的多路径反射。
在其一些实施例中，可以使用简单的定向天线在经典的、未修改的GNSS接收机上实现本发明。
在一些其他实施例中，其可以在具有地图匹配能力的GNSS接收机上实现。在一些实施例中，需要实现对接收机进行仅软件修改，以基于接收机周围的多路径反射的密度来重新配置天线组件的辐射方向图。
可以设计多种天线组件配置来实现本发明，其中一些在本说明书中进行了描述。
另外，本发明可以经由低尺寸、低重量和低功率设备来实现。
附图说明
通过阅读以下仅以非限制性示例给出的特定实施例的详细描述将更好地理解本发明及其优势，本说明是参考附图进行的，其中：
-图1示出了本发明所解决的现有技术中的LOS/非LOS通信的问题；
-图2a和2b表示根据本发明一些实施例的车载GNSS天线的期望辐射方向图的一些示例；
-图2c，图2d，图2e和图2f表示根据本发明的一些实施例可以使用其中一些的典型辐射方向图的一些示例；
-图3表示根据本发明一些实施例的GNSS接收机的天线组件的架构；
-图4a至4h表示本发明的多个实施例中的天线元件及其馈送电路；
-图5a至5c示出了根据本发明的一些实施例的要应用于选择天线组件配置的一些设计规则；
-图6表示本发明的一些实施例中天线布置的封装的示意图；
-图7表示本发明的一些实施例中的天线布置的架构；
-图8显示了根据其一些实施例的实现本发明的方法的系统的功能架构。
具体实施方式
图1示出了本发明所解决的现有技术中的LOS/非LOS通信的问题。
在图1上，接收机110位于两个建筑物120之间。一些信号130沿直线到达接收机。一些其他信号140在建筑物上被反射后到达接收机。经典的接收机不能区分直接信号130和反射信号140，从而导致定位误差。在接收机110的给定位置处的多路径误差可以取决于该位置处的障碍物的特性(高度，其表面的粗糙度等)，而且还取决于视野中的卫星的高度，并且因此取决于一天的时间，并取决于气象条件。
纠正多路径错误是相当困难的，特别是因为它们是位置和时间相关的，因此需要大量的存储器和/或处理能力。而且，配置或辅助处理其它类型的误差、尤其是电离层误差的接收机，如双频接收机，在多路径环境中不一定是高效的，特别是当需要接收机的冷启动的时候。
因此，对于影响导航解决方案的误差预算的其他类型的损伤，总是难以找到对这个问题的解决方案。而且以可以应用于经典GNSS接收机的简单方式更是如此。
本发明的解决方案是以适合于多路径环境的方式来成形天线布置的辐射方向图。而且，可以将GNSS接收机配置成以多种模式操作，其中的每一种都适应于特定类的多路径反射。获得GNSS天线布置的可配置辐射方向图是这个问题的解决方案。
图2a和图2b表示根据本发明一些实施例的车载GNSS天线的期望辐射方向图的一些示例。
多路径反射尤其在城市峡谷中受到惩罚。一般来说，城市峡谷通常指的是宽度为几米到几十米的街道或道路，其侧面定位有建筑物，正面在街道/道路的主方向上对齐。建筑物的高度可能从几米到几百米不等。建筑物的正面或多或少是连续的，取决于穿越街道/道路的数量和该区域的密度。
在城市地区以外，建筑物的峡谷效应可能来自树木、广告牌、信号符号或可能反射或影响GNSS信号传播的其他元素。
根据本发明，因此当接收机在峡谷环境中导航时，能够使用GNSS接收机的天线布置的配置的辐射方向图以符合城市峡谷的形状是有利的。
图2a示出了在城市峡谷中特别有趣的辐射方向图的第一纵向形状。该图示出了在携带GNSS接收机的街道260的右侧行驶的车辆(或漫游器，在本说明书中两个术语是等同的)210。天线布置被配置为以下方式，使得天线布置的辐射波瓣220被成形为在车辆230a的移动方向(车辆参考系中的方向y)上具有较大的增益。利用这样的形状，来自接收机上方的LOS信号将以比位于街道/道路旁的建筑物270的正面所反射的非LOS信号更大的增益到达天线布置。在沿建筑物定位的障碍物如树木或灯柱280上的反射，当它们到达天线布置时，也会被衰减。
在本发明的一个变型中，波瓣220b朝向街道/道路的中间向左扭转，以便更好地衰减位于街道/道路上的街道/道路或障碍物的正面上的反射。
图2b显示了图2a的沿着轴线240a的横截面，该轴线240a是车辆参考系中的x轴。它显示图2a的车辆210的后视图，其中明显的是波瓣220b向左扭转。假定车辆在街道的右侧行驶。在车辆行驶在街道左侧的情况下，在不脱离本发明的范围的情况下，向右侧的对称扭转是可能的。
成形辐射方向图的右边界290b(与车辆的参考系的x轴线240a成角度291b)以便将所述辐射方向图限制在峡谷中而避免那些建筑的正面在事实上是有益的。90°的值对于此目的是足够的，天线的辐射方向图的垂直横截面的右边界290b然后与作为车辆的参考系的z轴的轴线250b共线。成形辐射方向图的左边界29Ab(与轴线240a成角度2A1b)以便可能避免位于街道/道路另一侧的建筑物270的正面上的多路径信号的反射也可能是有利的。当然，如果GNSS接收机在街道/道路的另一侧(在车辆行驶的相同方向上)移动，则左右颠倒。可以以多种方式计算右边界和左边界，例如通过将辐射方向图的主瓣的孔径传播到天线增益变得最小的区域，然后将这些点连接到参考系的中心。没有在图中显示的其他方式也是可能的。有利的是，主瓣的轴线2B0b可以在(x，z)平面偏指角度2B1b。
在一些实施例中，角度291b和2A1b可以是可配置的，并且可以用于控制GNSS接收机上方的天线布置的视场(FOV)，如以下关于图4的描述进一步解释的。
对于骑自行车者或骑摩托车者所携带的GNSS接收机，类似的布置是可能的。在这种情况下，天线(以及可能的接收机)可以附接到自行车或摩托车的框架上，或附接到骑自行车者/骑摩托车者的头盔上。有利的是，天线可以符合头盔或框架。
天线布置的天线元件被成形为接收L频段(即，对于公众可用的当前服务在大约1.5GHz)中的GNSS信号。其他频段，如S频段，现在或将来可能会被某些星座使用。本发明的天线布置可以很容易地适应这种变化。在本发明的变型中，天线布置可以被配置为从其中辐射波瓣在图2a或图2b所示的变型之一中成形的第一模式切换到一个或多个其他模式。
图2c、图2d、图2e和图2f表示根据本发明的一些实施例的可以使用其中一些的典型辐射方向图的一些示例。
图2c示出了可以通常用于接收GNSS信号的全向天线(例如单极或偶极天线)的典型辐射方向图。这样的天线将然后接收到所有类型的信号，包括LOS和非LOS。
图2d示出了定向天线的典型辐射方向图。使用这种类型的天线，将难以同时接收来自多于一个卫星的信号。为了能够从最少四颗卫星中获取信号，需要能够计算标准PVT，因此需要四个天线(如果我们不考虑海拔，则只有三个)。这些天线需要可操纵，以便能够在一天中的不同位置和时间获取和跟踪卫星。虽然这使得该解决方案成本更高，但是提供干涉或干扰信号的良好抵制属性仍然是有利的，这使得这样的配置对于军事、政府或专业应用来说非常意义，但是可能不适用于商业或消费者应用。
图2e示出了扇区天线的典型辐射方向图。在那里，主辐射波瓣类似于图2b的220b所示的那个，除了它不被偏指之外。主瓣在(y，z)垂直平面上已经符合最大增益。它在位于垂直平面中的对称平面的两侧只有很小的延伸。在这些扩展之外，天线的增益是相当低的。这种性质使得这种类型的天线在一定程度上适合于实施本发明。
图2f示出了偏指天线的典型辐射方向图。在那里，主辐射波瓣220b具有对称轴线2B0b，其与轴线x成高于90°的角度2B1，如图2b上所示。这种性质也使得这种类型的天线在一定程度上适合于实现本发明。
根据本发明，因此有利的是使用扇区类型的天线布置，其主波瓣可以在(x，z)平面中具有可调整的孔径(290e，29Ae)，其对称轴可以被偏指至轴线2B0b。然后，辐射方向图是图2e和图2f中的辐射方向图的组合。这种天线布置的设计和控制在下面的描述中进一步被评述。
图3表示根据本发明的其他实施例的GNSS接收机的天线组件的架构。
根据一些实施例的天线组件包括：
-辐射元件310；
-可选的馈送电路320；
-可选地，控制逻辑330。
可选地由控制逻辑330命令的辐射元件310或可选馈送电路320将所接收的GNSS接收机馈送到GNSS接收机的RF前端(RFFE)。
在另一个实施例中，辐射元件330可以是具有相同形状因子的贴片元件，其是沉积在PCB支架上的金属几何结构。每个辐射元件可以有利地具有正方形形状因子，尽管可以设想一些其它形状因子(圆形或三角形或多边形或分形)。替代地，辐射元件可以是垂直于辐射元件的支架布置的单极或偶极线性或螺旋形辐射元件。通常，辐射元件将在车辆参考系的与将要安装它们的车辆的运动方向(轴线y，230a)垂直的方向上对齐。辐射元件形成网络，该网络产生由元件的几何形状、它们的相对位置、它们的取向、形成图案的馈送电路的类型以及用于命令馈送电路的可选控制逻辑的配置所限定的辐射方向图。在以下说明书中将进一步讨论如何定义辐射元件的数量及其间距。
可选的馈送电路320可以是模拟或数字的。它可能是一个简单的金属馈线，将在天线元件处接收的模拟信号直接馈送到RFFE。它可能是一个模拟组合器，将接收到的信号馈送到RFFE。它可以包括多个组合器，它们被布置成将部分信号串行馈送并且部分信号并行馈送到RFFE。它可以包括一个或多个模拟移相电路。它可以包括一个或多个开关和适合的负载的组合以执行天线匹配。它可以包括在一些或全部天线元件的输出处的模数转换器(ADC)和数字波束成型逻辑。馈送电路的这些示例性的多种配置因此是可能的，而不偏离本发明的范围。
可选的控制逻辑330可以是模拟或数字处理器，其被配置为通过将控制命令发送到馈送电路来产生期望的辐射方向图，如将在下文中进一步说明的。
图4a至4h表示本发明的多个实施例中的天线元件及其馈送电路。
在所有附图中，天线元件是沉积在PCB上的金属贴片元件。一般在附图上示出了四个元件的数量，而可以设想较低的数量(图4e)或更高的数量(未示出)。在不脱离本发明的范围的情况下，也可以设想其他形状因子和技术。
图4a表示具有简单馈线420a的四个辐射元件410，其将捕获的信号串行地直接馈送到GNSS接收机的RFFE，而没有任何中间馈送电路。GNSS信号因此在每个天线单元所接收的RFFE中组合。
图4b表示具有4到1组合器430b的馈线420b，其将在四个辐射元件处接收到的四个GNSS信号串行组合(例如，求和)成馈送到RFFE的单个信号。这种布置提供了比图4a类型的布置更大的带宽。这在多频接收机的情况下是尤其有益的，但是这种配置将在天线组件中具有更大的占用面积。
图4c表示具有三个2至1组合器430c的多个平行馈线420c，该组合器430c将四个GNSS信号并行组合以将它们馈送到RFFE。与图4a的布置相比，这种布置还提供了带宽的增益，在这种情况下以较大的占用面积和一些额外的损耗为代价。
图4d表示具有两个2到1组合器430d的多个并行馈线420d，该组合器430d将四个GNSS信号并行组合并将它们馈送到串联线421d，串联线421d本身将组合信号馈送到RFFE。这种配置可能是图4a，4b和4c的配置之间的良好折衷，提供比图4a的配置更宽的带宽，比图4b和图4c的配置更低的占用面积，以及比图4c的配置更低的损耗。
图4e表示两个天线元件410，在每个天线元件的输出处具有平行馈线420e、2至1组合器430e和两个移相器440e。移相器被配置成在它们的组合之前将所接收的信号的相位移位。
图4f和4g表示包括具有或不具有适配负载的多个开关电路的馈送电路的不同配置，这些开关允许激活/去激活部分天线元件。
图4h表示包括在每个天线元件410的输出处的ADC 460g的天线组件，所述ADC将其输出馈送到波束成型器470g。波束成形器有利地允许比其中辐射方向图的变化被限制在多个离散选项中的其他布置更精确地配置辐射方向图，以更高的实施成本为代价，特别是由于在每个天线元件的输出端增加了一个或更多低噪声放大器(LNA)和滤波器，并且可能还有在LNA输出端的下变频器，这取决于ADC的采样频率。
下面结合图5a至5c讨论图4a至4h所示的实施例之一或其变型的选择。这些实施例仅是说明可用于根据本发明配置期望的辐射方向图的设计选项。在不脱离本发明的范围的情况下，可以考虑许多其他的实施例。而且，这些实施例中的一些可以被组合。例如，不同的辐射元件可以在不同的接收条件下被激活，如图4f和4g上所示，激活/去激活由一个或多个开关命令。基于开关位置，在某个时刻活跃的辐射元件可以包括将产生线性相移的移相器。而且，波束成型电路可以合并两种控制(多个辐射元件的激活/去激活，产生施加到有源辐射元件的线性相移)。
图5a至图5c示出根据本发明的一些实施例的可应用于选择天线组件配置的一些设计规则。
在包括移相器的实施例中，诸如图4h所示类型的那些移相器，可以通过应用从阵列理论中已知的公式来计算天线元件网络的主要参数，下面结合图5a至5c进行说明。
图5a是示出了沿着x轴以彼此均等的距离d定位的N个相同的辐射源510a的示意图。在图中所示的例子中，N＝4。假设未耦合的馈送。移相器520a产生线性相位梯度(从第二次馈送处的-
Figure GDA0001624974620000114
到第四次馈送处的-3
Figure GDA0001624974620000115
)。如果P是位于距辐射源距离为r的点(远场假设，r远大于d)，则P处的电场
Figure GDA0001624974620000111
由以下公式给出：
Figure GDA0001624974620000112
其中，E(θ)是由单个元件产生的基本辐射方向图所接收的电场的总和，k是工作频率处的波数，并且
Figure GDA0001624974620000113
是给定时刻的场取向。
E(θ)的范数接下来由下面的公式给出：
|E(θ)|＝N×|F(θ)|×AF (2)
|E(θ)|＝N×|F(θ)|×AF
AF是阵列因子，并且仅取决于阵列(N，d)和相移
Figure GDA0001624974620000116
的几何形状。
Figure GDA0001624974620000122
如图5b所示，当其孔径520b(θ3dB)减小时，场510b的最大幅度(Dmax)随着馈送数目N而增加。
而且，如图5c所示，指向方向(或主瓣的方向)510c随着相移而变化。在某些情况下，可能出现栅瓣520c，即具有接近主瓣振幅的振幅的旁瓣。为了避免这些栅瓣，根据以下公式，辐射元件之间的距离d应该是低于最大值的值：
Figure GDA0001624974620000121
其中
Figure GDA0001624974620000123
是最大期望偏指角。
根据其一些实施例，然后应用这些设计规则允许天线技术人员配置天线布置以适应要获得的辐射图的规格以实施本发明。
有利的是，根据本发明的天线布置可以具有2至8个贴片元件，其布置的总宽度为约λ(其中λ是最常见的L频段信号的波长)，元件之间的距离为λ/8，λ/4，λ/2或λ。开关可以命令N个元件中的确定数量n同时活跃并被串行或并行地馈送。n越高，扇区辐射方向图的孔径越小。随着被激活(即通过开关连接到馈线)的元件的低数量n(1或2，优选地位于阵列中间)，辐射方向图将在(x，z)平面中具有开放的FOV，并接近全向天线的方向图。相反，随着元件的高数量n(例如6到8)，辐射方向图将在(x，z)平面中具有带有窄FOV的低孔径，接近“完美”扇区天线的配置，其辐射能量集中在(y，z)平面的狭窄扇区中。另外，移相器可以对辐射方向图给出偏指，偏指的角度由从一个天线元件到被激活的一行中的下一个天线元件线性施加的相移量来确定。
图6表示与本发明的一些实施例相关的天线布置的封装的示意图。
具体的封装对于实施本发明决不是强制的。图4a到4h和图5a到5c的描述将允许普通技术人员根据在本说明书中公开的教导来设计和实现本发明。特别是，当仅考虑GNSS接收机在相同的城市环境中操作时，可能不需要添加具有从受多路径反射影响的环境切换到全LOS环境的能力的特征。例如，一些城市可以现场租用的汽车通常会属于这类用例；同样，用于城市公共交通的公共汽车和某些类型的多用途车辆也是如此。因此，在这种用例中，天线元件可以容纳在标准封装中并且通过标准连接与GNSS接收机连接，而不需要特定的馈送电路，如例如图4a上所示的，由于天线元件的物理构造和相对定位而获得天线布置辐射方向图的特定形状。因此，没有其他具体的图表示这些超出图4a的天线布置的天线布置，其实际上可以涵盖许多变体(例如元件的数量，天线元件的形状因子等)。
在其它用例中，能够将天线布置的操作模式从适合于受到多路径反射影响的环境的第一模式切换到适合于所有看得见的卫星的接收都只是LOS，或者非LOS信号非常有限的环境的第二模式。在其他用例中，可以提供两种以上的模式。例如，可以提供天线布置的三种操作模式，适用于具有LOS接收的非常有限的视野(FOV)的区域的第一模式，适用于LOS接收的具有更宽的FOV的区域的第二模式，以及适用于具有LOS接收的全FOV的区域的第三模式。不同的模式可以由天线布置的主辐射波瓣的左右边界的角度来确定，如图2b的参考标记29Ab和290b所示。例如在第一模式中，角度291b可以设定为105°，角度29Bb可以设定为135°。这些值限定了漫游器的参考系中定义的(x，z)平面中的天线布置的窄孔径或FOV。在第二模式中，角度291b可以被设定为90°，并且角度29Bb可以被设定为120°至150°之间的值。在该第二模式中，(x，z)平面中的天线布置的孔径或FOV比第一模式宽。在第三模式中，角度29Bb可以被设定为150°至180°之间的值，并且角度290b可以被设定为0°至150°之间的低于90°的值，可能为30°的值。在该第三模式中，(x，z)平面中的天线布置的孔径或FOV比第一模式和第二模式中的更宽。但是天线布置的孔径或FOV在漫游器的参考系(x，y，z)中定义的(y，z)平面中在三种模式下可以是相同的。窄孔径通常具有小于90°的角度，优选小于60°，更优选小于45°。宽孔径通常具有大于90°的角度，优选地大于120°，更优选地大于135°。
第三模式也可以是纯粹的全向辐射方向图模式，而不具有天线布置的辐射方向图的任何特定形状。这可以通过切换到替代的天线组件或者切断本发明的天线布置的大部分天线元件，即只留下位于阵列中间的激活的一个或两个元件来获得。要注意的是，角度291b和29Bb的确定是由天线布置的物理特性(元件数目N，它们之间的距离d)和所应用的移相
Figure GDA0001624974620000141
(这将影响主瓣的孔径及其偏指)的组合来产生。
模式的数量和确定其极限的角度可以根据用例而变化。可以选择适合于实施本发明的教导的天线布置的普通通用设计(例如图4a至4h所示的设计之一)。确定操作模式的参数可以在详细设计或甚至制造时基于与天线布置一起使用的GNSS接收机的操作条件来配置。统计数据例如可以用来定义模式的最佳模式数量和每种模式的FOV角度的限制。
模式之间的切换可以是用户触发的或自动的。当用户触发时，可以提供简单的按钮、语音或触摸命令来操作交换机。在自动模式下，可以提供一些处理逻辑来控制交换机的命令。对于自动切换，触发可以来自GNSS接收机，其计算用户的位置，匹配地图上的位置并确定峡谷环境的可能性。触发可能来自多种类型的传感器，如LIDAR、RADAR、IR摄像机。
取决于天线布置的配置，开关的命令控制可以是机械的或电的，或两者的组合。电控制例如可以在于通过命令一个或多个开关来激活/去激活一些天线元件来修改天线布置的馈线的电路，以将FOV修改为辐射方向图。它还可以在于不同地配置驱动天线布置的移相器布置，如将在下面关于其他附图在下面的说明中所述的。
尤其当设想至少两种操作模式时，可以使用图6的天线布置，操作模式的概念具有上面解释的含义。图6是与GNSS接收机相关的可具有几个形状因子并可位于不同位置的组件的程式化视图。它可以包括天线罩610以保护天线元件620免受雨或雪的影响。
图4a至4h所示类型的天线元件(或者在组合时能够产生图2a和2b所示类型的辐射方向图的任何类型的其他天线元件)被配置为接收在L频段(即针对公众可用的当前服务的大约1.5GHz或GNSS信号现在或将来可以在其中传输的任何频段，诸如S频段)中的GNSS信号。它们也被布置成能够产生不同的辐射方向图，如下面在说明书中将进一步解释的。为此，靠近天线元件可以定位多个机械致动器、寄生元件、移相器和/或驱动电路、ADC和波束成型器。
天线元件的多个组合可以在天线罩下提供，每个天线元件用于在上述模式之一中操作。
天线罩还有利地包括DC输入630，将信号传输到GNSS接收机的RF输出640。在一些实施例中，还可以提供与接收机的数据链路(图中未示出)。
在本发明的一些可选实施例中，天线布置还可以包括在天线罩的顶部的开放部分下方或在所述顶部的正上方的一个或多个传感器650，其被配置为产生用于确定上面讨论的操作模式的信息。传感器可能并不同时位于天线布置上，然而只要它们的相对位置是已知的即可。
这种传感器应该能够确定在天线布置之上和/或沿天线布置的FOV的最大角度，以便触发天线布置的不同操作模式之间的切换。它可能是一个带有鱼眼镜头和/或多个CCD/CMOS图像传感器的摄像机，它们以不同的仰角和方位角取向排列在半球形天线罩上。它也可以是对红外(IR)光敏感的传感器，以便能够也在夜间或可见光和IR的组合下操作。它也可以是多个雷达、LIDAR或热传感器。基于传感器的FOV中的障碍物的检测，这些类型的传感器可以允许基于开阔的天空和遮蔽的天空的区分来触发操作模式之间的切换的命令。可以提供这些传感器的组合，这取决于用例所需的配置的成本/收益分析。
根据本发明的一些实施例，天线布置可以包括天线控制单元(ACU，660)。ACU包括用于确定普遍环境条件下的最佳操作模式的计算逻辑。该确定可以基于对传感器650的输出的处理。其还可以基于漫游器的位置的第一次粗略确定以及围绕该位置的多路径反射强度的索引的使用。基于计算逻辑的输出，ACU能够发送命令以将天线布置从一个模式切换到另一模式。操作模式之间的切换可以是机械的或电的。
因此，在LOS中接收的不受多路径反射影响的信号通过具有较高增益的RF输出640被发送到GNSS接收机。
在一个变型中，从GNSS接收机到处理单元存在输入端口，该输入端口接收诸如视野中的卫星数量之类的数据。当开阔的天空的视野中的卫星数量降到4以下时，处理单元可以被配置为改变操作模式以生成更宽的FOV以获取更多卫星的信号，从而可以增加获取的卫星的数量到4或以上。
在其他实施例中，可以通过输入端口将其他数据从GNSS接收机发送到处理单元，特别是将天线组件增益模式的选择适应于其他因素，例如，伪距测量的UERE或PVT确定。
在其他变型中，附加的传感器或信息可以有助于位置确定。例如，可以使用在大多数GNSS接收机商业单元中可用的经典地图匹配方法以足够的精度获得海拔。因此，根据海拔高度信息，视野中有3颗卫星就足够了。利用更多的信息，在一定时间段内，视野中的卫星的数量可能甚至更少。
在本发明的所有变型中，必须在馈送到处理单元的数据所提供的定位的精度的提高和必须提供给处理单元/ACU的额外功率上的成本之间确定基于应用的妥协。
图7表示本发明的一些实施例中的天线布置的架构。
附图的天线布置是图6的天线布置的特定实施例，其中天线阵列420包括4个辐射元件721,722,723,724。
四个辐射元件可以例如是螺旋元件。它们也可能是螺旋天线。它们也可以是贴片天线，可能是堆叠配置。贴片天线可以被构建在超材料中，可能是人造磁导体(AMC)。
辐射元件可以布置在具有67毫米间距的辐射元件的行中，对于1,575千兆赫兹的GPS L1频率，该间距大约为波长的三分之一。通过提供特定的接地平面结构，可以保护辐射元件免于互相耦合。
4个辐射元件可以由4个移相器731,732,733,734驱动。移相器可以是两态移相器(0°-180°)，或被配置为确定辐射方向图的目标偏指角度以及特定孔径的移相器，如已经说明的。相移可以由寄生元件、有源透镜或可协调组成件来执行。寄生元件可以是由致动器控制的微机电系统(MEMS)。通常，移相器从ACU 660接收电压或电流命令。命令被配置为生成与由ACU的处理逻辑确定为适合于接收机的环境的操作模式相对应的辐射方向图。
可选地，移相器可以由数字波束成型电路和多个ADC的组合来替代，ADC将每个天线元件的模拟输出转换成数字数据，并且将该数据馈送到波束成型器。
天线元件的输出在组合器741中被组合，以通过输出640被发送到GNSS接收机。
图8显示了根据其一些实施例来实现本发明的方法的功能架构。
在其中天线布置被配置成以单模式操作的其一些实施例中，可能不需要从一种操作模式切换到另一种操作模式。但是有些用例下，这种切换可能是可取的和可能的。图6中表示其步骤的方法属于该第二类。
提供处理逻辑810以准备要被发送以在操作模式820之间切换的命令。接着，该命令模块将机械地或电气地配置或驱动天线元件以在命令逻辑或致动器830中使期望的几何方面的辐射方向图成形。然后，天线元件能够将GNSS信号输出到GNSS接收机处理信道，GNSS接收机处理信道又可以将数据馈送到PVT计算单元840。
处理逻辑810的输入可以由传感器数据获取单元851、手动输入单元852或地图/数据库匹配单元853交替地或组合地形成。这些单元851,852,853中的仅一个是需要的。根据用例，它可以是其中的任何一个。所有单元也可以在同一个设备中提供。如果视野中的卫星数量太小(即，低于4或3，取决于要计算的坐标的数量)，可以提供来自PVT计算单元(或GNSS信号处理信道)的返回路径860，以将操作模式改变为更宽FOV模式。PVT计算单元840可以通过返回路径870将粗略位置返回到地图/数据库匹配单元853，使得地图/数据库匹配单元可以基于要传递到处理逻辑810的粗略位置来计算多路径反射的指标，以确定天线布置的适当操作模式。在一些实施例中，当不能计算PVT时，由地图/数据库匹配单元使用的粗略位置可以是默认值或最后已知位置，假设自其计算所经过的时间不是太大。
本发明的天线布置或天线组件连接到的GNSS接收机可以是标准接收机。它可以被嵌入在汽车导航系统中，在诸如智能电话的移动设备中或者在特定设备中，或者在物联网(IoT)设备中。只要馈送信号的信道可用，本发明的天线布置可以容易地代替接收机的本机天线。在多个实施例中，馈送从经典接收机可获得的数据的返回路径可以被提供给天线布置/组件。
本说明书中公开的示例仅是本发明的一些实施例的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.一种被配置为定位在具有参考系(x，y，z)的漫游器中的全球导航卫星系统GNSS接收器，其中，y是所述漫游器的移动方向的水平轴，而z是垂直轴，所述GNSS接收器具有天线组件(310、400、610)，所述天线组件包括具有相同形状因子的N个天线元件，其中，N大于1，所述天线组件被配置为以预定频率接收GNSS信号，并且处于至少两个接收模式中，所述至少两个接收模式当中的第一接收模式与受多路径反射影响的第一操作环境相对应，其中，所述天线组件具有扇区辐射方向图，所述扇区辐射方向图具有主瓣(220b，220e)，所述主瓣(220b，220e)在(x，z)平面中具有窄孔径，并且在(y，z)平面中具有宽孔径，其中，所述接收模式是取决于对所述GNSS接收器在其中操作的传播环境的估计来选择的。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述扇区辐射方向图在所述(x，z)平面中被偏指。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的GNSS接收器，所述N个天线元件在方向(x)上对齐并且间隔均等的距离d。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述N个天线元件是布置在所述(x，y)平面中的贴片天线元件或者在所述(x，z)平面中竖立的单极、偶极或螺旋元件中的一个。
5.根据权利要求1所述的GNSS接收器，还包括馈送电路(320)，所述馈送电路被配置为将在所述N个天线元件的全部或部分处接收的GNSS信号馈送到所述GNSS接收器的RF前端(340)。
6.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中所述馈送电路包括被配置为将从两个或更多个天线元件接收的GNSS信号组合成单个GNSS信号的一个或多个组合器/拆分器(430b，430c，430d，430e)。
7.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中所述馈送电路包括一个或多个移相器(440e，731，732，733，734)，其被配置为给出从第一天线元件到行中的下一个天线元件线性地变化的预定相移。
8.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中，所述馈送电路包括被配置为激活/去激活所述N个天线元件中的一个或多个的一个或多个开关(450f，450g)。
9.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中所述馈送电路包括至少一个模数转换器(460h)和波束成型电路(470h)。
10.根据权利要求5所述的GNSS接收器，还包括控制逻辑(330)，其被配置为生成控制命令，所述控制命令要发送到所述馈送电路，以修改所述扇区辐射方向图在所述(x，z)平面中的孔径及其偏指中的一个或多个。
11.根据权利要求10所述的GNSS接收器，其被配置为在至少第二接收模式中操作，所述第二接收模式与第二操作环境相对应，在所述第二操作环境中，所述天线组件具有与所述第一接收模式的辐射方向图不同的辐射方向图，所述控制逻辑被配置为在至少所述第一接收模式或所述第二接收模式之间切换。
12.一种驱动全球导航卫星系统GNSS接收器中的天线组件的方法，所述GNSS接收器被配置为定位在具有参考系(x，y，z)的漫游器中，其中，y是所述漫游器的移动方向的水平轴，而z是垂直轴，所述GNSS接收器具有天线组件，所述天线组件包括具有相同形状因子的N个天线元件并且被配置为接收GNSS信号，其中，N大于1，所述天线组件被配置为以预定频率接收GNSS信号，所述方法包括在至少两个接收模式中驱动所述天线组件的天线元件，所述至少两个接收模式当中的第一接收模式与受多路径反射影响的第一操作环境相对应，其中，所述天线组件具有扇区辐射方向图，所述扇区辐射方向图具有主瓣(220b，220e)，所述主瓣在(x，z)平面中具有窄孔径并且在(y，z)平面中具有宽孔径，其中，所述接收模式是取决于对所述GNSS接收器在其中操作的传播环境的估计来选择的。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述N个天线元件在x方向上对齐并且具有均等的间距d，包括：
-在所述(x，z)平面中定义所述扇区辐射方向图的主瓣的期望孔径的一个或多个值；
-在所述(x，z)平面中定义期望偏指的一个或多个值；
-定义天线元件的一个或多个集合；
-定义相移
Figure FDA0003136392500000031
的一个或多个值，用于线性地应用于所述天线元件；
其中，所述天线元件的集合以及所述相移
Figure FDA0003136392500000032
的值是根据所述期望孔径的一个或多个值、所述期望偏指的一个或多个值、以及所述N个天线元件的位置来选择的。
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