CN109564293B - 用于全球导航卫星系统(gnss)信号跟踪的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于全球导航卫星系统(GNSS)信号跟踪的装置和方法。所述装置包括：假设确定器，该假设确定器被配置成，基于多个相关值，从多个速度假设中确定最可能速度假设，并将与所述最可能速度假设有关的数据传递给所述GNSS接收器的导航引擎，以跟踪所述卫星信号，其中，所述多个速度假设已经基于指示针对所述GNSS接收器的当前和/或先前扩展速度解的导航引擎输出而生成；并且其中，所述多个相关值已经由多个相关器确定，并且表示多个第一信号与多个第二信号之间的相关性，每个第一信号包括根据所述多个速度假设中的一个获得的预期多普勒频移，每个第二信号包括根据所述多个卫星信号中的一个获得的真实多普勒频移。

Description

用于全球导航卫星系统(GNSS)信号跟踪的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于对从多个卫星接收的全球导航卫星系统(GNSS)信号进行矢量跟踪的方法和装置。按具体排布结构，本发明涉及用于基于针对GNSS接收器的速度假设来对GNSS信号进行矢量跟踪的方法和装置。

背景技术

许多已知的GNSS接收器使用码跟踪环来估计到GNSS卫星的伪距，并使用载波跟踪环来估计从GNSS卫星接收的信号的载波多普勒(Doppler)(或伪距率)。这种卫星信号跟踪方法可以称为标量跟踪。

码跟踪环例如可以是延迟锁定环(DLL)，而载波跟踪环例如可以是频率锁定环(FLL)、锁相环(PLL)或两者的组合(例如，FLL辅助PLL)。这种GNSS接收器包括每信道的码跟踪环和载波相位跟踪环，并且接收器的每个信道处理来自特定GNSS卫星的信号。

一般地说，DLL使从GNSS卫星接收的信号与本地生成的卫星信号版本之间的定时差最小化。DLL通常包括两个码相关器，所述两个码相关器将接收到的信号与基于数控振荡器(NCO)的输出所生成的本地生成信号相关联。码相关器的输出在时间上积分以改善噪声性能，并且在算法中使用所得信号来控制NCO，以更新下一本地生成信号的码相位。在示例性DLL中，可以存在两个以上的码相关器，每个码相关器生成超前码相关(early codecorrelation)、即时码相关(prompt code correlation)以及滞后码相关(late codecorrelation)中的一个。

一般地说，FLL遵循相同的统计信号处理技术。在一个示例中，载波相关器将所接收卫星信号的一部分(可能在中频处)与由NCO提供的对应本地生成载波信号相关联。载波相关器的输出在时间上积分以改善噪声性能，并且在算法中使用所得信号来控制NCO，以更新该本地生成载波信号。

在GNSS接收器的实际实现中，载波跟踪环可以被用于辅助码跟踪环。此外，码跟踪环和载波跟踪环通常采用嵌套排布结构，由此使用载波相关器来去除载波频率，并且所得信号在完美载波跟踪DC信号的情况下被传递至码相关器。

这种GNSS接收器可以实现分离的信号跟踪和导航解，因为跟踪环与导航解确定隔离地工作。码跟踪环和载波跟踪环为导航引擎提供码测量和载波测量，该导航引擎使用那些测量来确定导航解，通常为位置、速度以及时间(即，接收器时钟偏移和漂移)(PVT)。此外，在使用来自不同GNSS星座(例如，GPS、Galileo、GLONASS或BeiDou)的卫星来确定导航解的情形下，来自每个GNSS的卫星信号还需要分离的跟踪环，所述分离的跟踪环将被分离地实施，并需要分离的元件件和不同的配置。

矢量跟踪环使用不同的架构，所述不同的架构将信号跟踪和导航解确定组合成单个环。在示例性矢量跟踪环路中，例如，通过导航引擎，针对要基于导航引擎输出(其可以是导航解(即，位置、速度和/或时间))来跟踪的每个卫星信号，预测伪距和/或伪距率。所预测伪距和伪距率被馈送到每个信道的跟踪环中，并被用于确定如在标准GNSS接收器中馈送至导航引擎的码估计和载波估计。

发明内容

根据本发明，在一方面，提供了一种用于对由全球导航卫星系统(GNSS)接收器从多个卫星接收的多个卫星信号进行矢量跟踪的装置。所述装置包括假设确定器，该假设确定器被配置成基于多个相关值从多个速度假设中确定最可能速度假设，并将与所述最可能速度假设有关的数据传递给所述GNSS接收器的导航引擎，以跟踪所述卫星信号。所述多个速度假设已经基于指示针对所述GNSS接收器的当前和/或先前扩展速度解的导航引擎输出而生成。所述多个相关值已经由多个相关器确定，并且表示多个第一信号与多个第二信号之间的相关性，每个第一信号包括根据所述多个速度假设中的一个获得的预期多普勒频移，每个第二信号包括根据所述多个卫星信号中的一个获得的真实多普勒频移。

可选地，与所述最可能速度假设有关的数据包括以下中的一个或更多个：最可能速度假设；以及基于所述最可能速度假设的多个预期多普勒频移，所述多个预期多普勒频移中的每一个与所述多个卫星中的一个有关。

所述多个速度假设可能已经基于扩展速度解的一个或更多个元素(element)的预测变化而生成。

所述预测变化已经可选地基于以下中的一个或更多个而确定：所述接收器的动态(dynamics)、所述导航数据的变动(variance)、惯性传感器数据以及地图数据。

在示例性排布结构中，对应的第一信号和第二信号各与所述多个卫星中的一个有关，并且其中，所述相关值表示对应的第一信号和第二信号之间的相关性。

可选地，多组对应的第一信号和第二信号中的每一组与所述速度假设中的一个有关。因此，所述多组对应的第一信号和第二信号中的每一组包括根据所述速度假设中的一个获得的并且与所述多个卫星中的每个卫星有关的多个第一信号，以及包括真实多普勒频移并且与所述多个卫星中的每个卫星有关的对应的多个第二信号。所述多组对应的第一信号和第二信号中的每一组可以包括一个或更多个共同的第二信号。

多组相关值中的每一组可以包括针对一组对应的第一信号和第二信号中的每个对应的第一信号和第二信号的相关值。

在一些示例性排布结构中，一组第二信号可以包括多个第二信号，每个第二信号与所述多个卫星中的不同的卫星有关，并且多组第一信号各包括多个第一信号，每个第一信号与所述多个卫星中的不同的卫星有关，其中，一组第一信号中的多个第一信号已经根据多个假设中的一个而获得。在这种示例性排布结构中，多组相关值中的每一组可以包括针对一组第二信号中的每个第二信号和不同组的第一信号中的每个第一信号的相关值。

所述假设确定器可以被配置成确定一组相关值中的多个相关值的至少一个和，并且基于所述至少一个和来确定所述最可能速度假设。在示例性排布结构中，所述假设确定器可以被配置成确定不同组相关值中的多个相关值的至少两个和。

在可选排布结构中，所述假设确定器被配置成确定各与不同组相关值有关的多个和，并将所述最可能速度假设确定为与所述多个和中的最大和有关的速度假设。

所述假设确定器可以被配置成根据所述最大和大于阈值的情况，将所述最可能速度假设确定为与所述最大和有关的速度假设。

可选地，所述多个相关器中的一个或更多个可以被配置成对根据在所述GNSS接收器内生成的滞后码相关样本、即时码相关样本以及超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号进行离散傅立叶(Fourier)变换DFT，其中，所述DFT跨越涵盖所述预期多普勒频移的频率的频率范围，并且其中，对应相关值指示所述DFT在所述预期多普勒频移的所述频率下的输出的幅值。

诸如导航消息的调制数据可以在所述多个相关器中的一个或更多个进行所述DFT之前，通过调制比特去除单元(modulating bit removal unit)从根据所述滞后码相关样本、所述即时码相关样本以及所述超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号中去除。所述调制比特去除单元可以是用于矢量跟踪的装置的分离元件，或者可以形成DFT块(block)的一部分。所述调制比特去除单元可以是混频器或乘法器，其被配置成接收调制数据和包括调制数据的信号，并被配置成产生包括去除了调制数据的信号(即，没有调制数据的信号)的输出。例如，这可以通过将调制数据与包括调制数据的信号相乘来实现。

所述装置还可以包括一个或更多个码相位估计单元，所述一个或更多个码相位估计单元被配置成接收根据针对所述多个卫星中的一个或更多个的滞后码相关样本、即时码相关样本和/或超前码相关样本所获得的信号，基于根据所述滞后码相关样本、即时码相关样本以及超前码相关样本所获得的信号来确定一个或更多个码相位估计，并将每个码相位估计传递给所述导航引擎。

所述第一信号可以包括针对所述多个卫星中的每个卫星的视线矢量对每个速度假设的变换。

可选地，所述装置还包括以下中的一个或更多个：速度假设单元，该速度假设单元用于生成多个速度假设和/或第一信号；多个相关器；以及导航引擎。

所述装置可以包括导航引擎，其中，所述导航引擎被配置成至少部分基于与所述最可能速度假设有关的数据来确定后续扩展速度解。

根据本发明，在另一方面，提供了一种包括根据上述任一方面的装置的GNSS接收器。

根据本发明，在另一方面，提供了一种用于对由全球导航卫星系统(GNSS)接收器从多个卫星接收的多个卫星信号进行矢量跟踪的方法。所述方法包括以下步骤：由假设确定器基于多个相关值从多个速度假设中确定最可能速度假设。所述方法还包括以下步骤：由所述假设确定器将与所述最可能速度假设有关的数据传递给所述GNSS接收器的导航引擎，以跟踪所述卫星信号。所述多个速度假设已经基于指示针对所述GNSS接收器的当前和/或先前扩展速度解的导航引擎输出而生成。所述多个相关值已经由多个相关器确定，并且表示多个第一信号与多个第二信号之间的相关性，每个第一信号包括根据所述多个速度假设中的一个获得的预期多普勒频移，每个第二信号包括根据所述多个卫星信号中的一个获得的真实多普勒频移。

与所述最可能速度假设有关的数据可以包括以下中的一个或更多个：最可能速度假设；以及基于所述最可能速度假设的多个预期多普勒频移，所述多个预期多普勒频移中的每个与所述多个卫星中的一个有关。

可选地，所述方法还包括以下步骤：速度假设单元生成所述多个速度假设。

所述多个速度假设可以基于所述扩展速度解的一个或更多个元素的预测变化来生成。

所述方法还可以包括以下步骤：所述速度假设单元基于以下中的一个或更多个来确定所述预测变化：所述接收器的动态、所述导航数据的变动、惯性传感器数据以及地图数据。

在示例性排布结构中，对应的第一信号和第二信号各与所述多个卫星中的一个有关，并且其中，所述相关值表示对应的第一信号和第二信号之间的相关性。

多组对应的第一信号和第二信号中的每一组可以与所述速度假设中的一个有关。

可选地，多组相关值中的每一组包括针对一组对应的第一信号和第二信号中的每个对应的第一信号和第二信号的相关值。

所述方法还可以包括以下步骤：所述假设确定器确定一组相关值中的多个相关值的至少一个和；并且所述假设确定器基于所述至少一个和来确定所述最可能速度假设。

所述方法还可以包括以下步骤：所述假设确定器确定各与不同组相关值有关的多个和；并且所述假设确定器将所述最可能速度假设确定为与所述多个和中的最大和有关的速度假设。

可选地，所述方法还包括以下步骤：所述假设确定器根据所述最大和大于阈值的情况，将所述最可能速度假设确定为与所述最大和有关的速度假设。

示例性方法还可以包括以下步骤：多个相关器确定多个相关值。

所述多个相关器中的一个或更多个可以对根据在所述GNSS接收器内生成的滞后码相关样本、即时码相关样本以及超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号进行离散傅立叶变换DFT，其中，所述DFT跨越涵盖所述预期多普勒频移的频率的频率范围，并且其中，对应相关值指示所述DFT在所述预期多普勒频移的所述频率下的输出的幅值。

所述方法还可以包括以下步骤：由调制比特去除单元，在所述多个相关器中的一个或更多个进行所述DFT之前，从根据所述滞后码相关样本、所述即时码相关样本以及所述超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号中去除导航消息。

示例性方法还包括以下步骤：一个或更多个码相位估计单元接收根据针对所述多个卫星中的一个或更多个的滞后码相关样本、即时码相关样本和/或超前码相关样本所获得的信号；所述一个或更多个码相位估计单元基于根据所述滞后码相关样本、即时码相关样本以及超前码相关样本所获得的信号来确定一个或更多个码相位估计；以及且所述一个或更多个码相位估计单元将每个码相位估计传递给所述导航引擎。

可选地，所述方法还包括以下步骤：速度假设单元获得所述第一信号，所述第一信号包括针对所述多个卫星中的每个卫星的视线矢量对每个速度假设的变换。

所述方法还可以包括以下步骤：所述导航引擎至少部分基于与所述最可能速度假设有关的数据来确定后续扩展速度解。

根据本发明，在另一方面，提供了一种包括指令的计算机程序，当在至少一个处理器上执行所述指令时，使得所述该至少一个处理器执行在此提出方法中的任一种。

根据本发明，在另一方面，提供了一种包含上面提出的计算机程序的载体，其中，所述载体是电子信号、光学信号、无线电信号或非暂时性计算机可读存储介质中的一种。

附图说明

在此，参照附图，对本发明的示例性实施方式进行描述，在附图中：

图1是用于在GNSS接收器处接收的多个卫星信号的矢量跟踪的装置的示意性框图；

图2是示出用于在GNSS接收器处接收的多个卫星信号的矢量跟踪的方法的流程图；

图3是用于在GNSS接收器处接收的多个卫星信号的矢量跟踪的装置的示意性框图；以及

图4是用于在GNSS接收器处接收的多个卫星信号的矢量跟踪的装置的示意性框图。

具体实施方式

总体上，在此公开了用于使用从多个GNSS卫星接收的卫星信号来对GNSS接收器进行扩展速度矢量跟踪的方法和装置。在此背景下，扩展速度矢量包括接收器的3-D速度和本地时钟漂移。示例性方法和装置被设置成，直接跟踪接收器的速度，而部分在速度域且部分在跟踪参数域间接跟踪卫星信号。即，基于处于跟踪参数域的多个速度假设和多个测量假设来跟踪卫星信号。

该速度假设和测量假设基于来自当前历元(current epoch)和/或先前历元(previous epoch)的导航引擎输出。被用于确定速度假设的导航引擎输出可以是扩展速度解或更新后的扩展速度解，v＝[x′ y′ z′ δ′]^T，而被用于确定测量假设的导航引擎输出可以是完整的PVT解或更新后的完整PVT解。可以基于由导航引擎实现的系统动态方程的转移矩阵(诸如，卡尔曼(Kalman)滤波器)来确定更新后的扩展速度解和更新后的完整PVT解。这在下面加以更详细说明。

速度假设可以包括基于导航引擎输出的假设(或预测)速度域数据。速度假设可以是包括扩展速度矢量的扩展速度假设。对于本文档的其余部分来说，使用术语“速度假设”和“速度解”，但应明白，这些术语分别涵盖扩展速度假设和扩展速度解。

最可能速度假设被确定并用于跟踪GNSS卫星信号。这可以通过更新针对GNSS接收器的导航解来完成，该导航解然后可以用于控制例如载波数控振荡器(NCO)，如下所述。

示例性方法和装置使用速度假设来代替可以在使用标准载波跟踪环的卫星信号重新获取和卫星信号跟踪期间使用的跟踪参数假设。与传统的多GNSS接收器不同，在传统的多GNSS接收器中，每个跟踪信道测量针对特定卫星的伪距估计和多普勒估计，以便跟踪卫星信号并计算PVT解，示例性方法和装置可以直接使用速度假设连同伪距或码相位估计一起来跟踪GNSS卫星。

速度假设可以被映射至跟踪参数域以便驱动相关器，如下更详细说明的。这样，可以在卫星信号重新获取和卫星信号跟踪中评估速度假设。因此，来自所有可见卫星(其可能是不同GNSS系统的一部分)的信号功率可以相干地或非相干地组合，以在极低的载波噪声功率密度比(C/N₀)环境中改善信噪比(SNR)。

本文所公开的示例性方法和装置的优点包括：

·随着所接收的卫星信号数量的增加，总体信号功率和由此的GNSS接收器的SNR线性增加，这改进了信号跟踪灵敏度；

·所接收的卫星信号在时间上的积分(Integration)可以与所接收的卫星信号在卫星上的积分互换，即，为了达到与标量跟踪算法类似的SNR性能水平，本文所公开的方法和装置需要较短的积分时间，这允许较高的跟踪环路动态；

·由于信号模型仅包含视线(LOS)信号，因而，改进的多路径和干扰抑制(interference rejection)是可能的；

·卫星信号跟踪和导航解确定的至少部分组合；

·GNSS接收器中所需的跟踪环路数量的减少；以及

·用于在单个GNSS接收器中组合从多个GNSS接收的卫星信号的平台。

图1示出了用于跟踪GNSS卫星信号的示例性装置的示意性框图。该装置包括导航引擎100，其被配置成确定包括用于给定GNSS接收器的PVT矢量的一个或更多个元素的导航解。

该装置还包括假设确定器102，其被配置成从多个速度假设中确定最可能速度假设。在图1的示例性排布结构中，速度假设是包括时钟漂移假设的扩展速度假设。假设确定器102还被配置成向导航引擎100传递与最可能速度假设有关的数据。这样的数据可以包括针对每个卫星信号的最可能速度假设和/或多普勒频移数据，如下详细说明的。

该装置还包括速度假设单元104，其用于生成多个速度假设。所述多个速度假设基于来自最新历元或当前历元的导航引擎输出而生成。在示例性排布结构中，来自当前历元的导航引擎输出可以包括最新速度解和最新时钟漂移解。在图1的示例性排布结构中，来自当前历元的导航引擎输出包括由导航引擎100确定的预测速度和时钟漂移。对于本文档的其余部分来说，术语“速度预测”涵盖包括沿x轴、y轴以及z轴方向的预测速度的矢量和预测时钟漂移。速度预测包括当前速度解以及与系统动态方程的转移矩阵(例如，卡尔曼滤波器动态方程中的矩阵“A”)相乘的时钟漂移解。在示例性方法和装置中，可以通过向导航引擎输出添加速度增量(delta)来生成速度假设，该导航引擎输出在图1的情况下是速度预测。

该装置还包括多个相关器，其在图1的示例性装置中，由离散傅里叶变换(DFT)单元106a-106n提供。下面详细说明使用DFT单元106a-106n进行相关的处理。使用DFT单元106a-106n进行的相关可以在由多个基带处理单元108a-108n生成的超前码相关样本、即时码相关样本以及滞后码相关样本中一个或更多个上进行。在图1的示例性装置中，使用即时码相关样本。具体地，来自每个信道的即时码相关样本在被传递至所述多个DFT单元106a-106n以进行长相关之前由调制比特去除单元110a-110n来接收。

该装置还包括多个积分和转储单元(integrate-and-dump unit)112a-112n，其接收超前码相关样本、即时码相关样本以及滞后码相关样本，并在时间上对它们进行积分，以便在将经积分的超前码相关样本、即时码相关样本以及滞后码相关样本传递至多个码相位估计单元114a-114n之前对噪声进行平均化，所述多个码相位估计单元被配置成基于位置和时钟偏移预测来估计码相位并将该码相位估计传递给导航引擎100。

在示例性装置中，GNSS接收器的每个信道包括：基带处理单元108a-108n、积分和转储单元112a-112n、码相位估计单元114a-114n、调制比特去除单元110a-110n以及DFT单元106a-106n。

导航引擎100被配置成，向速度假设单元104传递指示导航解和因此的速度预测的估计准确度的变动数据116。导航引擎还被配置成传递导航引擎输出(包括速度预测)118和LOS数据120，所述LOS数据120包括从接收器天线指向卫星天线位置的LOS矢量。卫星速度和接收器速度两者都被投射至LOS矢量，以便计算预期观测多普勒频率。在速度假设单元104处接收的导航引擎输出118可以被用于获得速度假设，如下所述。

应注意到，在示例性方法和装置中，数据的传递涵盖由一个实体生成电信号和由另一实体接收那些电信号。该传递可以包括传输。该传输可以通过有线连接，并且可以在处理器内进行。

导航引擎100还被配置成将针对每个卫星的另一导航引擎输出119和LOS数据120传递至中央参数生成器(CPG)122。该另一导航引擎输出119可以包括导航解预测，该导航解预测例如可以通过将当前导航解与在导航引擎100中运行的系统动态方程的转移矩阵(例如，卡尔曼滤波器动态方程的矩阵“A”)相乘来计算。CPG 122将另一导航引擎输出映射至针对每个卫星的LOS矢量，并确定针对每个卫星的预测载波频率和码相位。CPG 122将预测载波频率传递至基带处理单元108a-108n中的载波发生器126a-126n，并将预测码相位传递至基带处理单元108a-108n中的码发生器128a-128n。载波发生器126a-126n和码发生器128a-128n被配置成生成用于载波擦除(wipe-off)的载波复制品，和用于产生多个超前码相关样本、即时码相关样本以及滞后码相关样本的具有对应载波频率、码相位以及码片率(chipping rate)的码。

下面，定义了可以在示例性方法和装置中使用的多个信号和方程。

首先，在GNSS接收器的天线处接收的信号可以被建模为受加性噪声破坏的多个卫星信号的和。该接收到的复合基带信号可以写为：

r(t)＝g(t)+n(t) (1)

其中

以及

其中

·K是卫星的数量

·g_k(t)是来自卫星k的无噪声接收信号分量

·g(t)是无噪声接收信号

·n(t)是加性白高斯噪声

·s_k(t)是来自卫星k的具有对应伪随机噪声(PRN)码和各个调制比特的基带发送信号

·[h_k，ω_k，τ_k，Ω，T]^T≡θ_k是由以下跟踪相关参数组成的矢量，并且[...]^T表示矩阵转置

h_k是卫星k的复振幅

ω_k是卫星k的多普勒频率

τ_k是卫星k的传播延迟

T是由本地时钟偏移引入的明显共同延迟，其是独立于卫星的

Ω是由本地时钟漂移引入的明显共同频率，其是独立于卫星的

在上面，仅考虑接收信号的LOS分量，而忽略多路径影响。而且，轻微的大气影响也被忽略。

该装置所位于的GNSS接收器的导航状态可以通过时变位置、速度以及时间(PVT)矢量来描述。PVT矢量的任何部分都被视为本文的导航数据。

p＝[x y z δ x′ y′ z′ δ′]^T

其中

·x，y，z表示GNSS接收器的时变三维位置

·x′，y′，z′表示GNSS接收器的时变三维速度

·δ，δ′表示GNSS接收器的本地时钟偏移和本地时钟漂移

·(...)′表示一阶导数

对于给定的p和具有已知星历(ephemeris)的给定卫星星座，可以获得从接收器天线指向卫星k的天线位置的LOS矢量可以确定标准映射函数/>其将p变换成θ(如上定义)，除了θ内的复振幅h_k以外。无法确定复振幅主要是因为用于从卫星到GNSS接收器的卫星信号传输的信道状态信息(CSI)(特别是相位信息)未知，尽管电离层畸变在某种程度上是已知的并且由卫星广播。

针对扩展速度矢量v＝[x′ y′ z′ δ′]^T的相干和非相干估计方案可以被公式化如下，其中，中央PVT矢量用作每次估计迭代的基础。假定h_k从先前跟踪历元或者从如下所述用于卫星信号获取的经典技术获知。

如上所述，作为信号模型的一部分的、在上面定义的矢量θ中的剩余跟踪参数通过p相互约束，并且可以根据映射函数确定。p的或p的任何子集的最大似然(ML)估计不需要θ的完整中间估计，因为这通常是在标量跟踪架构中进行的，如在背景部分中讨论的那些。相反，对数似然函数可以直接相对于v被最大化，如下所述，这被称为PVT域跟踪、联合参数估计或矢量跟踪。

其中

·表示v的估计

·表示投影至/>的v⁽ⁱ⁾

·表示实部

·(...)^*表示复共轭

·表示与使用与卫星k相关联的LOS矢量变换至跟踪参数域的另一导航引擎输出119相对应的矢量θ

在这里，我们忽略了卫星之间的互相关，这对于GNSS中的PRN码特性是合理的，并且V⁽ⁱ⁾表示第i个扩展速度假设。

在实践中，应当估计h_k，这仅对于相对较强的信号是可能的。对于弱信号，可以进一步开发方程(4)以去除对h_k的依赖性。为此，可以获得v的非相干估计，如下所述。

其中，n通常为1或2。上面呈现了对v的两个估计：方程(4)中的相干估计，其适于与锁相环(PLL)应用一起使用和/或适用于中/高C/N₀环境；和方程(5)中的非相干估计，其在涉及载波跟踪时适于与频率锁定环(FLL)应用和/或相对较弱的接收卫星信号一起使用。在本文档的剩余部分中，仅讨论了非相干估计。

导航引擎100可以使用卡尔曼滤波器来生成导航解。在将该观测定义为扩展速度矢量v与所有卫星的传统码相位的混合以及将本地时钟偏移定义为新观测矢量时，可以基于以下动态方程(6)和速度相关观测方程来公式化针对卡尔曼滤波器的模型。

p[n+1]＝Ap[n]+z[n] (6)

在方程(6)中，A是转移矩阵，而z[n]是过程噪声。

现在，将参照图2以及上面给出的信号和方程来描述用于跟踪GNSS信号的示例性方法。

导航引擎100将导航引擎输出(在这种情况下为速度预测)118传递200至速度假设单元104，并将另一导航引擎输出(在这种情况下为导航预测)119传递至CPG 122。导航引擎输出118和另一导航引擎输出119基于针对当期历元的导航解。该导航解可以通过在本文所公开的方法的先前迭代期间在导航引擎100中运行的动态模型(诸如，卡尔曼滤波器)达到。另选地，该导航解可以使用用于卫星信号获取随后对导航解的最小二乘估计的经典技术，通过GNSS接收器的首次定位(fix)来达到。在所公开的示例性方法和装置中，导航引擎100还将LOS数据120传递至速度假设单元104和CPG 122。

在步骤202，CPG 122生成映射函数使用针对卫星的LOS数据120映射另一导航引擎输出119，并确定针对每个卫星的预测载波频率和码相位。CPG 122将预测载波频率传递至载波发生器126a-126n，并将预测码相位传递至基带处理单元108a-108n中的码发生器128a-128n。

速度假设单元104至少基于所接收的速度预测118生成204多个速度假设。速度假设单元104使用来自当前导航历元的速度预测118，生成多个速度假设。速度假设单元104可以通过将预测速度变化和预测时钟漂移变化至少添加至速度预测的值(即，沿着x轴、y轴和z轴的预测速度以及预测时钟漂移))118和/或从速度预测的值减去预测速度变化和预测时钟漂移变化来生成所述多个速度假设中的至少一些。该预测变化可以基于一个或更多个约束(诸如，变动数据116(其也可以由导航引擎100传递至速度假设单元104)、从惯性导航系统接收的数据以及由物理环境提供的任何约束(其可以基于地理地图数据或其它外部信息源来确定))来确定。

在示例性方法和装置中，速度假设单元104可以根据先前导航历元和上述约束中的一个或更多个来确定中心假设v⁽⁰⁾[n]，其是速度预测118。然后，速度假设单元104可以通过基于上述约束中的一个或更多个确定一个或更多个增量值并向中心假设添加和/或从中心假设减去该增量值来确定所述多个速度假设的剩余部分。所述多个速度假设的剩余部分各包括假设[x′ y′ z′ δ′]^T。

因此，示例性多个速度假设可以被表示为v⁽ⁱ⁾[n]，i≥0并且在一具体例中可以包括以下内容。

/>

应注意到，可以基于添加和/或减去沿x、y和z轴中的一个或更多个轴的多个增量值以及时钟漂移来生成附加速度假设。此外，沿x、y以及z轴中的每个轴的增量值可能不同。

基于从导航引擎100接收的LOS矢量数据120，速度假设单元104确定206映射函数。利用该映射函数，速度假设单元104使用将所述多个速度假设中的每一个变换208成针对每个卫星的LOS矢量。这生成了多个变换的速度假设132，每个经变换的速度假设包括一组多普勒估计(每一个多普勒估计针对每个卫星)以及时钟漂移。应注意到，时钟漂移不受该变换的影响，并且在速度假设中与经变换的速度假设中的相同。

速度假设单元104将所述多个速度假设130和所述多个经变换的速度假设132传递210至假设确定器102。

因此，假设确定器102现在包括多个速度假设130和多个经变换的速度假设，每个经变换的速度假设针对每个卫星和每个速度假设包括一组多普勒估计和时钟漂移。每个多普勒估计基于速度假设为从对应卫星接收的卫星信号提供预期多普勒频移。

在包括从所述多个经变换的速度假设f(v⁽ⁱ⁾[n])，i≥0中的一个获得的预期多普勒频移的第一信号与包括真实多普勒频移并且从所述多个卫星信号(在图1的情况下，即时码相关样本)中的一个获得的第二信号之间进行212相关。这些对应的第一信号和第二信号各与同一卫星有关。

对应的第一信号和第二信号可以被分组成与单个速度假设有关的多个组。例如，每组对应的第一信号和第二信号可以包括：

·多个第二信号，每个第二信号根据所接收的卫星信号(例如，针对每个卫星的即时码相关样本)中的一个不同卫星信号获得，并且每个第二信号包括真实多普勒频移；以及

·多个第一信号，每个第一信号包括针对相同卫星信号的预期多普勒频移，并且全部基于单个速度假设。

每个相关器输出一相关值，该相关值示出预期多普勒频移与真实多普勒频移之间的相关性。该相关值也可以被分组成与多组的第一信号和第二信号有关的多组相关值。在示例性方法和装置中，多组相关值可以包括针对每个卫星的第一信号和第二信号的相关值，并且所有相关值各与单个速度假设有关。

在图2的示例性方法中，该相关由DFT单元106a-106n进行，其对由基带处理单元108a-108n中的每一个输出的即时码相关样本进行DFT。

DFT单元106a-106n被配置成在覆盖针对在GNSS接收器的该信道上接收的卫星信号的预期多普勒频移的频率范围内进行DFT。在示例性排布结构中，DFT单元106a-106n被配置成使得频率区间间距(frequency bin spacing)是DFT窗口长度的倒数，并且频谱覆盖范围足够宽以覆盖所有速度假设。针对每个所接收的卫星信号进行DFT。DFT单元106a-106n将DFT结果134a-134n传递214至假设确定器102。

DFT可以被视为跨越频率范围的多个相关性。即，给定信号的DFT表示该信号与处于一频率范围内的等间距频率(频率区间)下的多个另外信号的相关性。DFT的输出包括频率值和幅值(表示相关值)，其可以被标绘以给出针对该信号的频谱。因此，假设DFT跨越涵盖与给定速度假设有关的预期多普勒频移的频率范围，与该预期多普勒频移的频率有关的幅值表示针对该速度假设的相关值。

因此，来自DFT单元106a-106n的每个DFT输出包括多对幅值和频率。通过选择与预期多普勒频移的频率有关的DFT幅值值来确定相关值。

导航消息是在传输之前调制到每个卫星的载波信号上的连续数据流。调制比特去除单元110a-110n从即时码相关样本中去除这些调制数据比特，并在几毫秒内对后者进行预积分。预积分样本在被传递至DFT单元106a-106n之前被缓冲以供进行进一步相关。去除调制比特允许根据时钟稳定性，在110a-110n中，在高达数百毫秒的时间帧上对即时码相关样本进行积分。这与一些GNSS接收器中通常使用的小得多(最大20毫秒)的积分时间形成对比。长相干积分的优点是在DFT单元106a-106n中具有更高的跟踪灵敏度和更高的频率分辨率，因为后者与积分长度成比例。

调制比特去除单元110a-110n接收导航消息140a-140n的副本。通过在接收器中对卫星信号进行解码来生成导航消息的副本。调制比特去除单元110a-110n使用该导航消息的副本来在进一步积分之前去除即时码相关样本中的比特翻转(bit flip)。这例如可以通过将即时码相关样本与导航消息的副本相乘以抵消调制比特来完成。这防止在跨越多比特导航消息的积分中的破坏性叠加(destructive superposition)，并允许更长的积分时间。这转而增加了DFT单元106a-106n所进行的DFT的频率分辨率。当从内部导航消息缓冲区接收调制比特时，调制比特去除单元110a-110n使用信号周时间(time-of-week)来确定哪个调制比特适用于当前即时码相关输出。如果没有调制比特适用，则在DFT单元106a-106n中配置20毫秒而不是数百毫秒的相干积分长度。

假设确定器102被配置成对跨越与单个速度假设有关的所有接收的卫星信号的相关值进行求和216。即，假设确定器102被配置成对一组相关值中的相关值进行求和，所述相关值各与单一速度假设有关。假设确定器102针对每个速度假设重复求和。在实践中，假设确定器102可以使用上面的方程(5)进行求和。假设确定器102将最可能速度假设确定218为与最大求和有关的速度假设。

假设确定器102将与最可能速度假设136有关的数据传递220至导航引擎。在图2的示例性方法中，假设确定器102将实际的最可能速度假设传递至导航引擎100。导航引擎100使用新卡尔曼滤波器观测矢量中的最可能的速度假设以及码相位估计(下面讨论)，并且基于卡尔曼滤波器观测矢量和p⁽⁰⁾[n]来确定222下一历元的导航解和导航引擎输出。

在示例性方法和装置中，超前、即时以及滞后码相关样本也可以从基带处理单元108a-108n被传递至积分和转储单元112a-112n，其中以常见方式进行积分。所积分的超前、即时以及滞后码相关样本被传递至码相位估计单元114a-114n，所述码相位估计单元114a-114n以常见方式确定基于此的码相位估计。码相位估计138a-138n被发送给导航引擎100并被添加至观测矢量并由导航引擎使用，以确定要提供给速度假设单元104和CPG 122的下一历元的导航解和下一导航引擎输出。

在示例性方法和装置中，假设确定器102被配置成根据上面讨论的相关值的最大和大于阈值的情况来确定与该和相关联的最可能速度假设。该阈值被确定成确保所选择假设真正是最可能假设而不仅仅是噪声。假设确定器102可以包括阈值检测器，其在跟踪极弱信号时，用作锁定损耗检测器。类似地，示例性方法和装置可以被用于在信号丢失(例如，进入建筑物)之后重新获取卫星信号，因为最后已知的导航解(在信号丢失之前)应当足够准确以使能够重新获取卫星。

图3示出了用于跟踪GNSS卫星信号的示例性装置的示意性框图。图3的许多特征与上面关于图1已经讨论过的特征相同或相似。这些特征具有与图1中相同的标号，除了它们以“3”而不是“1”开始并且除了它们涉及图3的装置的操作之外不再讨论。

在图3的示例性排布结构中，假设确定器302被配置成使用上面关于图1和2描述的方法来确定最可能速度假设。在图3的装置的情况下，与由假设确定器302传递至导航引擎300的最可能速度假设有关的数据包括针对每个卫星的多普勒估计336a-336n以及时钟漂移估计337。假设确定器302确定最可能速度假设，然后从所述多个经变换的速度假设中识别与该最可能速度假设相对应的经变换的速度假设。然后，假设确定器302将对应组的多普勒估计336a-336n和时钟漂移估计337传递至导航引擎300。

导航引擎300被配置成使用多普勒估计336a-336n、钟漂移估计337以及卡尔曼滤波器中的码相位估计338a-338n以提供下一导航解。

图3的装置的一个优点是，其可以与在已知GNSS接收器的导航引擎中运行的标准卡尔曼滤波器一起使用。不需要修改导航引擎中使用的卡尔曼滤波器，因为观测矢量包括多普勒估计336a-336n和码相位估计338a-338n。因此，图3的装置可以更容易地集成到现有GNSS接收器中。

图4示出了用于跟踪GNSS卫星信号的另一示例性装置的示意性框图。图4的许多特征与上面关于图1和3已经讨论过的特征相同或类似。这些特征具有与图1和3中相同的标号，除了它们以“4”而不是“1”开始并且除了它们涉及图4的装置的操作之外不再讨论。

在图4中，使用每个信道中的特定相关器406a-406n而不是DFT单元，该DFT单元被配置成进行跨越包括预期多普勒频移的频率范围的DFT。相关器406a-406n可以采用硬件或软件具体实施。实际上，相关器406a-406n可以仍被配置成进行DFT，尽管该DFT仅在与预期多普勒频移相对应的单个频率区间(或多个选定频率区间)处计算。

相关器406a-406n被配置成从速度假设单元404接收包括预期多普勒频移的第一信号432和包括真实多普勒频移的第二信号442a-442n。每个信道中的相关器406a-406n被配置成输出434a-434n表示第一信号与第二信号之间的相关性的值。如图4所示，第一信号432可以根据来自速度假设单元404的经变换的速度假设获得，并且表示预期多普勒频移，每个针对给定卫星和给定速度假设。第二个信号根据即时码相关样本获得，如上所说明的。

应注意到，相关器406a-406n可以被具体实施为每个信道中的多个相关器的相关器排(bank)，例如，针对每个速度假设有一个相关器，相关器被配置成并行地运行相关。在这样的排布结构中，信道中的每个相关器可以接收表示针对给定速度假设和与该信道相关的给定卫星的预期多普勒频移的所生成信号。另选地，在每个信道中可以存在单个相关器406a-406n，所述单个相关器406a-406n被配置成进行顺序相关，第二信号442a-442n与表示针对所述速度假设中的一个不同速度假设的预期多普勒频移的所生成信号之间的每个顺序相关。

因此，每个信道中的相关器406a-406n被配置成确定多个相关值434a-434n，每个相关值与所述速度假设中的一个不同速度假设有关。

每个相关器406a-406n将所确定相关值传递至假设确定器402。假设确定器402被配置成针对每个速度假设对横跨所有卫星的相关值进行求和。然后，假设确定器402能够确定最可能速度假设并将与该最可能假设有关的数据436传递至导航引擎400，如上所述。与最可能速度假设有关的数据可以包括最可能速度假设本身和/或与最可能速度假设有关的所估计多普勒和所估计时钟漂移。

计算机程序可以被配置成提供任何上述方法。该计算机程序可以被设置在计算机可读介质上。该计算机程序可以是计算机程序产品。该产品可以包括非暂时性计算机可用存储介质。该计算机程序产品可以具有被配置成执行所述方法的、具体实施在所述介质中的计算机可读程序代码。该计算机程序产品可以被配置成使至少一个处理器执行所述方法中的一些或全部。

本文参照计算机实现方法、装置(系统和/或设备)和/或计算机程序产品的框图或流程图例示，对各种方法和装置进行描述。应当明白，这些框图和/或流程图例示中的一个框和这些框图和/或流程图例示中的框的组合可以通过由一个或更多个计算机电路执行的计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路的处理器电路、专用计算机电路，和/或其它可编程数据处理电路，以生成一机器，以使所述指令(其通过计算机的处理器和/或其它可编程数据处理装置执行)变换和控制晶体管、存储在存储器位置中的值以及这种电路内的其它硬件组件，以实现框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作，从而创建用于实现在框图和/或流程图中指定的功能/动作的手段(功能)和/或结构。

计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，其可以指导计算机或其它可编程数据处理装置按特定方式起作用，以使存储在计算机可读介质中的指令生成包括用于实现在框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。

有形的非暂时性计算机可读介质可以包括电子、磁性、光学、电磁或半导体数据存储系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体示例包括以下：便携式计算机盘、随机存取存储器(RAM)电路、只读存储器(ROM)电路、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)电路、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)以及便携式数字视频光盘只读存储器(DVD/Blue-Ray)。

所述计算机程序指令还可以被加载到计算机和/或其它可编程数据处理装置上，以使在该计算机和/或其它可编程装置上执行一系列可操作步骤，来生成计算机实现处理，使得在该计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现在框图和/或一个或多个流程图框中指定的功能/动作的步骤。

因此，本发明可以以硬件和/或以运行在处理器上的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)来具体实施，其可以统称为“电路”、“模块”或其变型。

还应注意到，在一些另选实现中，该框中提到的功能/动作可以出现在该流程图中所提到的次序之外。例如，根据所涉及功能/动作，接连示出的两个框事实上可以大致同时执行，或者这些框有时可以按逆序执行。此外，流程图和/或框图的给定框的功能可以被分离成多个框，和/或流程图和/或框图中的两个或更多个框的功能可以至少部分被集成。最后，可以在例示的框之间增加/插入其它框。

在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，技术人员将能够设想其它实施方式。

Claims (19)

1.一种用于对由全球导航卫星系统GNSS接收器从多个卫星接收的多个卫星信号进行矢量跟踪的装置，所述装置包括：

多个相关器，所述多个相关器被配置成确定多个第一信号与多个第二信号之间的多个相关值，每个第一信号包括预期多普勒频移，每个第二信号包括真实多普勒频移，

其中：

所述第一信号是根据使用针对所述多个卫星的视线数据对多个速度假设进行的变换而获得的，并且

所述第二信号是根据针对所述多个卫星的即时码相关样本而获得的；以及

假设确定器，该假设确定器被配置成基于所述多个相关值从多个速度假设中确定最可能速度假设，并将与所述最可能速度假设有关的数据传递给所述GNSS接收器的导航引擎，

其中，基于指示针对所述GNSS接收器的当前扩展速度解和先前扩展速度解中的至少一者的导航引擎输出生成所述多个速度假设。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，与所述最可能速度假设有关的数据包括以下中的至少一者：所述最可能速度假设；以及与所述最可能速度假设相关联的多个预期多普勒频移，所述多个预期多普勒频移中的每一个与所述多个卫星中的一个有关。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，基于所述当前扩展速度解和所述先前扩展速度解中的至少一者的一个或更多个元素的预测变化生成所述多个速度假设。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，基于以下中的至少一者确定所述预测变化：所述GNSS接收器的动态、导航数据的变动、惯性传感器数据以及地图数据。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，对应的第一信号和第二信号各与所述多个卫星中的一个有关，并且其中，所述相关值表示对应的第一信号和第二信号之间的相关性。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，多组对应的第一信号和第二信号的每一组与所述多个速度假设中的一个有关。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，多组相关值中的每一组包括针对一组对应的第一信号和第二信号中的每个对应的第一信号和第二信号的相关值。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述假设确定器被配置成通过以下方式确定所述最可能速度假设：

确定一组相关值中的多个相关值的至少一个和，

其中，基于所述至少一个和来确定所述最可能速度假设。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述假设确定器被配置成确定各与不同组相关值有关的多个和，并将所述最可能速度假设确定为与所述多个和当中的最大和有关的速度假设。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述假设确定器被配置成根据所述最大和大于阈值的情况，将所述最可能速度假设确定为与所述最大和有关的速度假设。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个相关器中的至少一者被配置成对根据在所述GNSS接收器内生成的滞后码相关样本、即时码相关样本以及超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号进行离散傅立叶变换DFT，

其中，所述DFT跨越涵盖所述预期多普勒频移的频率的频率范围，

并且其中，对应相关值指示所述DFT在所述预期多普勒频移的频率下的输出的幅值。

12.根据权利要求11所述的装置，所述装置还包括调制比特去除单元，该调制比特去除单元被配置成在所述多个相关器中的一个或更多个进行所述DFT之前，从根据所述滞后码相关样本、所述即时码相关样本以及所述超前码相关样本中的一个或更多个所获得的信号中去除导航消息。

13.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括一个或更多个码相位估计单元，所述一个或更多个码相位估计单元被配置成接收根据针对所述多个卫星中的一个或更多个的滞后码相关样本、即时码相关样本和超前码相关样本中的至少一者所获得的信号，基于所接收的信号来确定一个或更多个码相位估计，并将所述一个或更多个码相位估计传递给所述导航引擎。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述多个相关器中的至少一者还被配置成：

对根据所述即时码相关样本所获得的信号进行离散傅立叶变换DFT，

其中：

所述DFT跨越涵盖所述预期多普勒频移的频率的频率范围，并且

对应相关值指示所述DFT在所述预期多普勒频移的频率下的输出的幅值。

15.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括以下中的至少一者：速度假设单元，该速度假设单元用于生成所述多个速度假设和/或所述第一信号；以及所述导航引擎。

16.根据权利要求15所述的装置，所述装置包括所述导航引擎，其中，所述导航引擎被配置成至少部分基于与所述最可能速度假设有关的数据来确定后续扩展速度解。

17.一种用于对由全球导航卫星系统GNSS接收器从多个卫星接收的多个卫星信号进行矢量跟踪的方法，该方法包括以下步骤：

确定多个第一信号与多个第二信号之间的多个相关值，每个第一信号包括预期多普勒频移，每个第二信号包括真实多普勒频移，

其中：

所述第一信号是根据使用针对所述多个卫星的视线数据对多个速度假设进行的变换而获得的，并且

所述第二信号是根据针对所述多个卫星的即时码相关样本而获得的；

基于所述多个相关值从所述多个速度假设中确定最可能速度假设；以及

将与所述最可能速度假设有关的数据传递给所述GNSS接收器的导航引擎，

其中，基于指示针对所述GNSS接收器的当前扩展速度解和先前扩展速度解中的至少一者的导航引擎输出生成所述多个速度假设。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，与所述最可能速度假设有关的数据包括以下中的至少一者：所述最可能速度假设；以及与所述最可能速度假设相关联的多个预期多普勒频移，所述多个预期多普勒频移中的每一个与所述多个卫星中的一个有关。

19.一种非暂时性处理器可读介质，所述非暂时性处理器可读介质存储指令，所述指令能够由装置的一个或更多个处理器执行以进行一种用于对由全球导航卫星系统GNSS接收器从多个卫星接收的多个卫星信号进行矢量跟踪的方法，所述方法包括以下步骤：

确定多个第一信号与多个第二信号之间的多个相关值，每个第一信号包括预期多普勒频移，每个第二信号包括真实多普勒频移，

其中：

所述第一信号是根据使用针对所述多个卫星的视线数据对多个速度假设进行的变换而获得的，并且

所述第二信号是根据针对所述多个卫星的即时码相关样本而获得的；

基于所述多个相关值从所述多个速度假设中确定最可能速度假设；以及

将与所述最可能速度假设有关的数据传递给导航引擎，以跟踪所述卫星信号，

其中，基于指示针对所述GNSS接收器的当前扩展速度解和先前扩展速度解中的至少一者的导航引擎输出生成所述多个速度假设。