CN1141437A - 无编码gps定位方法和用于此种无编码定位的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无编码GPS定位方法和一种装置。按照该方法，被定位的单元(2)接收来自几个卫星(4)的GPS信号，去除GPS信号的编码，将提取的载波信号由被定位的单元(2)送出，以便确定所述被定位的单元(2)的位置和/或速度。按照本发明，用锁相回路探测载波信号频率，并将这样探测的信号以数字格式由被定位的单元(2)传送出来以便进一步处理。

Description

无编码GPS定位方法和 用于此种无编码定位的装置。
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的，基于无编码GPS(全球定位系统)信号进行工作的定位方法。
本发明也涉及一种用于此种无编码GPS定位的装置。
卫星导航系统GPS是基于处理由环绕地球的24个卫星所发送的导航信号数据信号而进行工作的。利用所说的定位系统的最常用的方法是使用编码GPS信号，由此位置分辨装置解调由至少四个卫星所发送的导航信息代码，从而，通过由每个卫星发送的编码信息结合准确的时间信息，来确定该装置的正确位置。这种设计尽管是正确和有效的，可是它不适于用在低单价的产品上，例如活动无线电探测器或用户电子学设备。提取位置编码须要大量的计算能力，所以使定位装置费用高又复杂。
同时，在已有技术中，有一种称为无编码定位方法，其中将键入的GPS信号的相移平方得到嵌入噪声正弦波GPS信号，由于相对发送卫星位置的多普勒位移，使它的频率移动。当已知卫星的轨道位置参数，从接收到的卫星信号频率可以确定接收装置的位置。妨碍无编码定位方法的问题是，所接收的卫星信号的信噪比是很低的。此外，用计算方法由多普勒位移确定位置是相对复杂的任务，在某些常用的无线电探测器实施例中，将平方的噪声信号不加处理送到地面站上。上述途径须要宽带传送信道，但是，由于它的低信噪比使该信号非常容易受到干扰。
本发明的目的在于克服上述技术的缺点，且提供一种完全新型的基于无编码GPS信号的定位方法和装置。
本发明的目的是通过借助已设置在定位装置中的锁相回路，解调多普勒位移卫星信号，然后将数字格式的解调信号送去进一步处理而实现的。
更具体地说，本发明的方法特征在于，权利要求1所叙述的特征部分。
更进一步，按照本发明的装置特征在于，权利要求7所叙述的特征部分。
本发明具有显著的优点。
按照本发明的实施例提供了由即使嵌在非常大噪声中的GPS信号，得到多普勒位移频率的一种有效的方法。该数字化频率信息可以用可靠的方式在窄宽宽信道上送去进一步处理。结合无线电探测器系统，这样的性能具有特别的优点，其中无线电探测器本身的电子线路可以做得既价廉又重量轻。按照本发明该设计有利的应用也在于用户电子学设备，由此GPS定位器整个价格水平将下降。
以下参照图示在附图中的实施例，将更详细地说明本发明，其中：
图1a是应用于一个无线电系统的本发明的一个实施例的方块图；
图1b是表示GPS信号谱的图；
图2是平方回路的方块图；
图3是科期塔期回路基本结构的方块图；
图4是用于装备有平方探测器的一个GPS接收器的前端的方块略图；
图5是用于装备有一个I/Q探测器的一个GPS接收器的前端的方块略图；
图6是用于按照本发明的一个接收器的前端电路的详细方块图。
图7是按照本发明无编码GPS接收器的方块略图；
图8是图7所示接收器锁相回路部分的详细方块图；
图9是按照本发明的锁相回路的方块图；
图10是图9所示电路的详细方块图。
本发明的定位系统适用于这样的装置中，其中费用、功率消耗或重量因素不利于在GPS信号接收设备本身中放置用于位置确定的计算装置，而宁愿将信号送到更远的地方，在一个分离的地面站或基地站进行处理。本发明装置特别适用于无线电探测器的速度测定。在此，在需要时，通过积分速度信息得到无线电探空仪的位置信息。
参照图1a，在无线电探空仪应用中，所跟踪的无线电探空仪2这样的单元接收至少四个GPS卫星4的信号。按照本发明，无线电探空仪电子设备去除GPS编码和提取卫星载波频率，这些频率由于卫星运动而发生了多普勒频移。该载波频率以数字格式送到无线电接收器6上，将在此解调的信号送到计算单元8，进行差别定位和速度计算。由于计算单元8还接收来自卫星4并在编码跟踪接收器10中解调的卫星位置参数，所以计算单元的输出能提供关于被跟踪的运动单元，例如在本情况中的无线电探空仪2的速度和位置信息。无线电探空仪2以及其他能够适于按照本发明跟踪位置的目标，例如在水中的、陆地和空中的运载工具，以后在本文中一般称作被定位单元。
参照图1b，GPS信号包括两个微波段信号L2和L1，其中对于本发明较重要的是含有C/A编码的L1信号。在L1信号中，用C/A编码调制的载波带宽为2.046兆赫，其中心频率1575.42兆赫。使用相移键控调制该信号，并且按照本发明，除去上述调制，由此利用表示在图2的平方电路，或表示在图4的科斯塔斯回路，通过多普勒频移所移动的频率下，得到正弦波载波信号。
参照图2，所示的平方电路利用乘法器1将GPS信号适当转换成低频信号，然后在滤波器3中进行低通滤波。然后，通过在平方电路5中平方该信号，去除该信号的GPS编码，随后通过带通滤波器7提取该信号以消除低通或零频率成分，由此进一步将该信号的带频变窄，以便改善信噪比。在带通滤波器的输出上，无需编码即可提取GPS信号的载波信号。该信号现在可以送到包括相探测器9，回路滤波器11和控制电压振荡器13的锁相回路中。
参照图3，其中所示的电路是另一种去除GPS信号编码的方法，由此，提取信号载波。上述电路称作科斯塔斯回路，或I/Q探测器。该电路包括两个分开的分路，每一个由乘法电路15和17、跟随以低通滤波器19和21所构成。该低通滤波器的输出在乘法器23中彼此相乘，接着在滤波器25中将该信号低通滤波，此后将该信号送到控制电压振荡器27中，其输出依序再送到乘法电路15和17中，从而使得送到下面的分路17中的信号产生相移π/2。在图4的结构中，该电路用于将输入其输入端的单一调制的载波锁相，所以作为锁相回路。从控制电压振荡器27的输出，得到输入载波信号的部分合成信号。
参照图4，具有平方电路的GPS接收器的前端在图中表示成方块略图。在天线29的帮助下接收大约1.54兆赫的输入信号，并在滤波器31中进行带通滤波。为了减少噪声功率和视频天线信号，带通滤波器31是必须的。在混合器35将它向低频变换之前，该信号被前置放大器33放大。接着，在第2带通滤波器37中将该信号滤波，起到两种作用，首先，滤波器去除混合器中的不希望的频率，其次减少平方电路39中的噪声功率。带通滤波器37的带宽应该尽可能窄以使噪声功率减至最小。另一方面，带宽应该足够宽以通过BPSK的信号的全谱而只具有相对小的畸变。
参照图5，其中所示的增加了I/Q探测器的GPS接收器直到前置放大器33与图4表示的结构相同。此后，将信号路径分成两个分路，它们各自都带有放大器41和43，并跟随以低通滤波器45和47。由振荡器49得到了用于乘法器电路41和43的第2个输入信号，由此，将振荡器信号接到相移π/2的较低信号处理分路。滤波器45和47的功能是去除近似两倍输入无线电频率信号的混合器输出信号的频率成分。低通滤波器应该通过相对没有改变的调制信号的带宽，其意味着它们的最佳带宽是接近调制带宽。如果现在信号谱是低通型式，对于GPS C/A编码最佳带宽约是1兆赫。在滤波之后，在乘法器51中，将该信号彼此相乘，由此，去除了调制信号成分(也就是调制编码成分)。尽管I/Q型接收器需要更多的电路构件，可是它都是有吸引力的因为其过滤器是低通形式，因此，容易补充。在将以上描述的I/Q型无编码接收器与表示在图3的科斯塔斯回路型式进行比较时，可见，在两种电路之间最大的差别是反馈路径，图5的电路略去了该反馈路径并由固定频率局部振荡器49所代替。因为按照本发明的实施例是基于多普勒频移，也就是在标准载波频率和载波的实际中心频率之间的差别，所以有可能使用科斯塔斯回路的误差信号作为测量变量，如果局部振荡器的频率偏离标准频率一个小的量。多普勒频移可以是正的或负的，取决于卫星关于接收天线的相对速度。应该使局部振荡器频率和标准载波频率相符合，差别频率要么是负的，要么是正的。然而，由于只能测量差别频率值，所以，为了保持在全部时间内差别频率是正的，必须遵循通过达到多普勒频移最大值的量，由标准载体频率解调局部振荡频率。在选择解调频率差中，必须注意，在科斯塔斯回路中误差信号相应于两倍的解调频率差。所以，必须选择解调差别至少是两倍的多普勒频移最大值。按照本发明该电路结构提供了两个上述可供选择的编码去除方法。此后，该电路可以工作在要么是平方电路，要么是I/Q方式。该电路具有一个模拟输入，其使用1位A/D变换器、取样并转换成数字格式，也就是一个比较器。
参照图6、工作在I/Q方式的该电路包括两个支路，I支路53和Q支路55。在两个分支中的任一个分支上，首先将模拟输入信号接到比较器57上，使用取样率51.2兆赫取样并将信号转换成1位数字格式。在连续求和式的第1滤波器59中，将数字数据流滤波并抽取1/10，该滤波器是第3级滤波器，通过数16进行滤波。在抽取1/10之后，在FIR(有限脉冲响应)滤波器61作为低通滤波器，限定信号带宽在1兆赫最大值的帮助下，将该数值滤波。紧跟着滤波之后，将两个数据流(I和Q)接到联合电路63上。该联合电路63可在两种电路工作方式之间选择。联合电路63的功能是，在I/Q方式中，该电路可以让两个分路的信号到达乘法器65上，而在平方方式上，仅仅I分路53能将一个输入信号送到乘法器65上，然而，现在两个都输入到放大器65上。在取样率为3.2兆赫、将该数据平方之后，在一个FIR-2滤波器67中，在一个串行格式第4级连续求和(RS)滤波器69中，以及在一个FLR-3滤波器71中，将该数据滤波并进一步抽取。这个电路部分以数目64抽取该信号，由此，在接收器前端数据路径上，全部抽取信号将达到数目1024。因此，最后取样率精确地是50千赫。在低通滤波器71之后，连接到IIR型高通滤波器73上，用于去除由平方或比较器电路引起的信号直流成分。如果IIR滤波器73高通截止频率是500赫兹左右，在接收器前端可得到的信号频带近似是24KHz。如果只将电路使用在平方的方式中，那么可以完全忽略Q分路55。
参阅图7，其中表示了基于使用平方方法去除GPS编码，按照本发明装置的方块略图。如图所示，在射频率块77中、信号经前置放大，并将信号变换成低频范围，进行低通滤波。在前端块79中，将信号数字化，平方，以及低通滤波，在滤波之后，通过在部分81中的锁相电路探测该信号。通过控制块83控制了整个系统。
参阅图8，表示了图7中部分81的更详细图。8路锁相回路部分81构成接收器的核心，其有能力同时搜索8个卫星的多普勒频移载波频率。同时，锁相回路块81的逻辑工具可提供8个单独锁相信道，通过将对八个信道具有分离态变量的多路复用时间数据路径83，与控制块85联合，实现了锁相电路的具体结构，提供了所须识别和跟踪功能。对于锁相回路部分的锁相数据路径83，和用作收集数据以便进一步传送到地面站的输出块89，一个共同控制块87提供了电路控制信号，由此将数据要么在RS-232格式中作为二进位数据流送出，要么作为一种FSK-调制逻辑信号送出。
参阅图9，其中所示锁相回路结合两个分离的滤波器91和93。实际上，该电路相应于一个第4级锁相回路。在一个可控电压振荡器95中，装有回路的第3积分器，相对于常规VCO结构，其作为一个附加的中心频率控制设备。锁相回路可以考虑包括两部分。当然，短时间常数的控制回路趋向于跟随进来的信号相位，而上述控制回路包括一个第一级滤波器91和一个电压控制振荡器95用于第1积分器的相位控制。事实上，对于恒定频率跟踪，上述类型电路结构是足够的。原则上，一个二级回路能跟随进来的信号，即使在频率恒定偏离占优势的情况中也是如此。然而具有失去锁相的危险，因为这种回路漂移离开其自然频率，也就是离开可控电压振荡器的中心频率，将回路推到其极限引起回路很容易滑出锁相。在输入信号频率不恒定时恰像具有GPS信号情况，该情况即使是错的，由此占优势的频率容易迫使锁相回路滑出其相对窄的锁相范围。因此，锁相回路的中心频率必须附加控制。第2，外控制回路包括低通滤波器93和VCO95的第2积分器用作延长更长的时间常数，以保持锁相回路的中心频率来跟踪该卫星信号频率。外控制回路使锁相回路作为第四级控制回路。如果跟踪的卫星信号丢了，那么相位探测103的输出信号将是基本上有零平均值的宽带噪声，由此回路控制信号在经滤波器91和93之后将是零。当VCO95的积分器是理想的时，它们将保持VCO中心频率不变，因此，如果卫星信号丢失只是暂时的，那么，一会，有很高的可能性将恢复锁相状况。尤其是在无线电探空仪应用中，由于该噪声水平高和无线电探空仪的摆动，这样的暂时失去锁相是典型的。参照图9，锁相电路包括一个相位相干幅度探测器97和一个低通滤波器99以及一个比较器101。相干幅度探测器97的参考信号是由探测器103的信号相位，移相90°，其是在电路97中锁相信号的最大信号水平，而同时是相位探测器103的最小输出信号水平。比较器101具有可调节阈对噪声信号提供了滞后作用。
参照图10，其是将图9的方块略图精心制作的更详细。记录器109的wo值是中心频率，而方块107的输出信号平均的分开是取样幅度值，，在低通滤波器105中，经过低通滤波表示卫星信号的水平。表示在图10中控制电路的结构，也就是图8中的方块85所示，可分成三种功能上不同的组。通过程序实现了控制方案。
该电路的第1个控制任务是尽可能快地锁定首先须要的卫星。通过控制回路的带宽实现了上述控制，从而，在电路的锁定态将带宽保持在尽可能窄的状态之下，为了将信号噪声水平减至最小，而在扫描状态时，带宽是宽的可以更快的扫描。
其次，使用一种跟踪算法，能够监视所须卫星的信号水平以及作出决定由信号再搜索开始，跟随的所须卫星信号的最终损失，来控制锁相回路。由于卫星信号的低信号噪声水平，所以为了算法的功能，这样的信号再搜索不能过早的开始，而只是在满足一定临界条件后指明真正卫星信号损失才开始。为此目的，算法使用时间计算器。
第3，使用程序手段锁相回路的不同信道跟踪不同的卫星。没有这样的控制，所有的信道将只锁定跟踪有最强信号的少数卫星。
按照本发明，将有多普勒位移频率的数据进行典型地传送，使用有一个起始位、8个数据位和一个停止位的10位同步格式，在1200位/秒的速率下作进一步处理。
尽管本发明最适合于无线电探空仪的位置跟踪和速度测量。但是其也可能应用于交通工具的定位，亦可与便携式定位设备一起使用。最近已经开放这种市场。
尽管使用如图6所示采用数字技术去除GPS信号编码，但是在本发明的范围内可同样使用模拟技术来取掉编码。
按照本发明的整个接收器包括作成单一的集成电路的RF部分。例如，一种适合的制造技术是0.8微米互补型金属氧化物半导体(CMCS)生产工艺。

Claims (12)

1.一种无编码GPS(地球定位系统)定位方法，在该方法中，被定位的单元(2)接收来自几个卫星(4)的地球定位系统的信号，去除地球定位系统信号的编码，将提取的载波信号由被定位的单元(2)送出，以便确定被定位的所述单元(2)的位置和/或速度，其特征在于：用锁相回路探测载波信号频率，并将探测到的信号以数字格式由被定位的单元(2)传送出以便进一步处理。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在从GPS信号中去除编码之前，将该信号数字化。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：将数字信号平方以从GPS信号中去除编码。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：采用数字I/Q信号处理方法从GPS信号中去除编码。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：使用至少第3级锁相回路探测所说载波频率。
6.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：由相应的速度信息计算所说GPS-信号-接收率(2)的位置。
7.一种装在被定位单元(2)上无编码GPS定位装置，所说定位装置包括用于接收由许多不同卫星(4)发出的GPS信号的装置(29)，用于滤波和放大信号的滤波和放大装置(31，33)，用于向下变换所说信号的频率的混合装置(35)，用于从GPS信号中去除编码的编码去除装置(39)以及用于在所说单元(2)外传送信号以便确定所说单元(2)的位置和/或速度的装置(39)，其特征在于：所说装置结合锁相回路(81)用于将解调信号变换成以数字格式表示的频率以便传送去作进一步处理。
8.按照权利要求7所述的一种装置，其特征在于：所说系统在信号路径上，在所说编码去除装置(39)之先，包括一个用于将信号变换成数字格式的模拟/数字变换器，并且所说编码去除装置(39)是一个数字装置。
9.按照权利要求7所述的一种装置，其特征在于：所说编码装置(39)是一种平方型编码去除装置。
10.按照权利要求7所述的一种装置，其特征在于：所说编码去除装置(39)是一种I/Q分路型编码去除装置。
11.按照前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所说锁相回路(81)至少是第3级。
12.按照前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于：所说A/D变换器是一个一位比较器(57)。
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