CN115667997A - 用于在定位系统中执行相关的方法、系统和计算机程序产品 - Google Patents

用于在定位系统中执行相关的方法、系统和计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

提供了在定位系统中执行的方法。该方法包括：(a)在接收器处接收来自一个或更多个远程源的信号数据；(b)测量或假设接收器的移动；(c)确定第一方向，其中，期望增强沿第一方向在接收器处接收的信号；(d)确定第二方向，其中，期望抑制沿所述第二方向在所述接收器处接收的信号；(e)获得分别指示所述接收器在所述第一方向和第二方向上的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，所述第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量包括振幅和/或角度；(f)根据所确定的第一方向和第二方向，基于所述第一相量序列和第二相量序列的加权组合来生成第三相量序列；(g)提供本地信号；以及(h)使用所述第三相量序列提供相关信号，其中，提供所述相关信号包括将所述本地信号与接收信号数据进行相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述第三相量序列进行组合，使得沿第二方向接收的信号相对于沿第一方向接收的信号被抑制。还公开了相应的定位系统。

Description

用于在定位系统中执行相关的方法、系统和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种可用于在定位系统中执行相关的方法、系统和计算机程序产品。更具体地，使用本发明执行的相关能够显著提高可基于接收到的定位信号和接收器的测量或假设移动来确定位置的精度。
背景技术
在基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的定位系统(例如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、GLONASS(格洛纳斯，俄语中全球导航卫星系统的缩写)、Galileo(伽利略卫星导航系统))中，接收器可以在接收和分析相关星座的卫星接收的信号后确定它们的全球位置。
卫星发射的信号包含允许识别卫星的伪随机噪声(pseudo random noise，PRN)码。接收器生成包括卫星的PRN码的发射信号的本地副本，并通过将本地副本信号与接收信号相关来生成相关信号。可以执行多个相关测量，并且最高相关峰可用于确定与本地副本码的相位相比接收码的相位，并因此确定与接收器上的本地时钟相比接收信号的延迟。时间延迟可用于计算从接收器到卫星的距离(“伪距”)。通过对四颗卫星执行该过程，可以确定接收器的全球位置。
当接收器“锁定”到卫星(捕获阶段)和随后的跟踪阶段时，执行相关过程，其中，只要所捕获的卫星在使用中，就会对来自所捕获的卫星的信号进行跟踪。在跟踪阶段期间，延迟锁定环通常用于调整本地副本码的偏移，而频率锁定环和相位锁定环可用于调整本地载波信号的频率和相位，以便随时间紧密匹配接收信号，从而提供准确的定位解。
然而，这种“锁定”可能在捕获阶段不存在，或者例如由于临时信号或低信噪比(signal to noise ratio，SNR)而丢失。这导致定位精度的降低。
当接收器处于多径效应普遍的环境中时，会出现进一步的问题。多径效应是指来自卫星的信号例如由于所谓的城市峡谷中的高层建筑的反射而采取从卫星到接收器的间接非直线(non-straight-line，NSL)轨迹。多径效应导致两个主要问题。首先，来自卫星的反射信号可以具有比期望的直线(straight-line，SL)信号更高的绝对功率，在这种情况下，接收器可以锁定到NSL信号。由于NSL信号相比于期望的SL轨迹的额外路径长度，伪距计算错误。其次，NSL信号可能与接收器处的SL信号发生干扰(例如，相长或相消)，对接收器准确处理接收信号的能力产生不利影响。
WO2017/163042描述了一种用于向相关过程提供所谓的“运动补偿”以便沿SL方向紧密匹配期望信号的方法。运动补偿包括将指示接收器运动的相量序列应用于本地副本信号(载波和PRN码)，以便提供可与所接收信号相关的运动补偿本地信号。特别地，如果沿SL信号的方向执行运动补偿，则即使SL的绝对功率显著小于常规接收器将锁定的NSL信号的绝对功率，也可以实现针对SL信号的最高相关(即，接收器可以“锁定”到期望的SL信号)。
然而，即使使用WO’042中描述的技术，如果期望的SL信号具有非常低的绝对功率，则期望的SL信号的增加增益可能不足以将它的信噪比增加到NSL信号之上，在这种情况下，接收器仍可以锁定到NSL信号。作为进一步的问题，欺骗信号可能明显强于SL信号，并且运动补偿可能不足以防止无意锁定到更强的欺骗信号。
可控接收模式天线(Controlled Reception PatternAntenna，CRPA)利用了通过实现多个天线来提供接收信号的空间分辨，通常从不同方向从期望(例如SL)信号接收不期望信号的事实。然而，这种CRPA系统体积大且价格昂贵，尤其不适用于诸如智能手机和其他手持设备的低成本定位设备。
因此，需要继续改进定位系统。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种在定位系统中执行的方法，包括：(a)在接收器处接收来自一个或更多个远程源的信号数据；(b)测量或假设接收器的移动；(c)确定第一方向，其中，期望增强沿第一方向在接收器处接收的信号；(d)确定第二方向，其中，期望抑制沿第二方向在所述接收器处接收的信号；(e)获得分别指示所述接收器在所述第一方向和第二方向上的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，所述第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量包括振幅和/或角度；(f)根据所确定的第一方向和第二方向，基于所述第一相量序列和第二相量序列的加权组合来生成第三相量序列；(g)提供本地信号；以及(h)使用所述第三相量序列提供相关信号，其中，提供所述相关信号包括将所述本地信号与接收信号数据进行相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述第三相量序列进行组合，使得沿第二方向接收的信号相对于沿第一方向接收的信号被抑制。
本发明包括获得第一相量序列和第二相量序列，该第一相量序列和第二相量序列指示接收器在第一(即期望)方向和第二(即不期望)方向上的测量或假设移动，并基于第一相量序列和第二相量序列的加权组合生成第三相量序列。然后使用第三相量序列执行相关。发明人已经意识到，通过使用指示在期望方向和非期望方向上的接收器运动的相量序列的加权组合来执行相关，不仅可以沿期望的第一方向获得优先增益，而且可以主动衰减在接收器处接收到的来自非期望方向的能量。因此，通过将本地信号、信号数据和相关的结果中的至少一个与第三相量序列相结合来提供相关信号，可以将沿第二方向接收的信号描述为相对于沿第一方向接收的信号被主动抑制。这提供了与现有技术方法相比的显著优势，其中仅针对期望方向使用相量序列执行相关，在这种情况下，来自不期望方向的信号没有主动衰减，并且在某些情况下仍可能(不期望地)导致最高相关峰。
第一方向通常可以是期望增强信号的任何方向，通过该方向，我们的意思是与从其他方向接收的信号相比的优先增益或信噪比，使得相关信号中的最高相关峰是针对沿第一方向接收的信号。第一方向通常是从远程源到接收器的直线(SL)方向。直线方向可以被定义为沿接收器和远程源之间的最短(直线)路径的方向。在实践中的某些情况下，直线路径可能穿过建筑物或其他物体。在室内或城市峡谷环境中，直线路径可能穿过远程源和接收器之间的若干物体。直线方向通常可以被称为“视线”(line ofsight，LOS)方向。
沿第一方向接收信号的远程源通常是受信任的远程源(例如GNSS定位卫星)，从该远程源接收的数据可以是受信任的，即被认为是正确的。然而，在一些实施例中，沿第一方向接收信号的远程源可能是不受信任的源，例如在要检测所谓“欺骗器”的位置的情况下。
第二方向通常是期望将沿其接收的信号主动抑制在沿第一方向接收的信号的水平以下的任何方向。通常，第二方向是从远程源到接收器的非直线(NSL)方向，或者是从不受信任的远程源(例如欺骗器)到接收器的直线方向。非直线方向是信号例如由于建筑物或其他物体的反射而采取的、并非远程源和接收器之间的直线路径的任何路径。(应理解，沿非直线方向接收的信号可以在反射之间具有直线轨迹。)因此，第一方向和第二方向可以指从同一远程源接收的信号，第一方向指直线方向，第二方向指反射的非直线方向。非直线方向通常可以被称为“非视线”(non-line-of-sight，NLOS)方向。
应理解，该方法可以包括：获得一个或更多个第一方向的第一相量序列，以及获得一个或更多个第二方向的第二相量序列，执行相量序列的加权以生成第三相量序列。在典型情况下，存在单个第一方向(例如，到定位卫星的SL方向)和多个第二方向(例如，到该定位卫星和其他远程源的NSL方向)。这样，本发明在减轻多径效应以提供更高精度的定位解决方案方面特别有利。
本发明可以有利地增加接收信号数据的相干积分周期，从而增强检测非常弱的信号(例如室内接收的GNSS信号)的能力。为了检测弱信号，可能需要大约1秒或更长的积分周期。这里，术语“信号数据”用于表示在接收器处从一个或更多个远程源接收的(通常是多个)接收信号。信号数据包括沿第一方向接收的第一信号和沿第二方向接收的第二信号。
第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量指示由于接收器的测量或假设运动而引入到接收信号数据中的振幅和/或相位变化。每一个相量包括描述接收器在相应方向上的测量或假设移动的振幅和角度中的至少一个。
通常，随时间的变化从接收器的测量或假设移动推导出第一相量序列和第二相量序列。例如，序列中的每一个相量可以指示在特定时间间隔期间的测量或假设的移动。因此，所得到的相量序列指示(例如，对应于)在由各个时间间隔组成的时间段期间接收器的测量或假设移动。
相量序列可以反映详细的接收器在时间上的移动。例如，相量序列中的多个相量可以反映接收器在用户慢跑、步行、跑步或经历一些其他重复运动期间放置在用户口袋中时的运动。在该示例中，接收器可以执行具有与每一个脚跟着地相对应的加速度峰的循环运动。
可以测量或假设接收器的移动。可以使用来自一个或更多个传感器的数据来测量接收器的移动，所述传感器配置为获得可以测量移动的数据。一个或更多个传感器可以包括惯性传感器，例如加速度计和陀螺仪。替代地或附加地，一个或更多个传感器可以包括用于指示接收器的海拔高度的气压传感器、用于指示接收器方位的地磁传感器、可视里程表系统以及本领域技术人员将理解的其他传感器。
在不可能测量接收器的移动(例如，没有来自运动传感器的运动传感器输出可用)的情况下，可以基于先前时期中的接收器移动模式来假设接收器的移动。
在步骤(f)中，根据所确定的第一方向和第二方向，基于第一相量序列和第二相量序列的加权组合来生成第三相量序列。换言之，加权使得当在相关过程中使用第三相量序列时，在期望的第一方向上提供优先增益，并为从不期望的第二方向接收的信号提供主动抑制。相反，用第一相量序列或第二相量序列执行的相关过程将仅提供沿相应方向的增益，而不提供沿接收器处接收信号的其他方向的主动抑制。
通常使用估计过程生成第三相量序列。发明人已经意识到，基于第一相量序列和第二相量序列以及关于第一方向和第二方向的期望灵敏度结果执行的估计或“拟合”技术与使用第一相量序列和第二相量序列的线性“加法”或“减法”相比，提供了沿第一方向大大改进的优先增益以及从第二方向接收的能量的主动衰减。因此，估计过程优选地基于(例如，优选地拟合“至”)沿第一方向接收的信号的期望增强和沿第二方向接收的信号的期望抑制。期望的灵敏度结果可以以加权的形式表示，所述加权指示沿第一方向接收的信号的期望增强和沿第二方向接收的信号的期望抑制，例如，以向量的形式，所述向量包括分别对应于第一方向和第二方向的一系列“1”和“0”。因此，估计过程优选地基于指示沿第一方向接收的信号的期望增强和沿第二方向接收的信号的期望抑制的加权。
优选地，用于生成第三相量序列的估计过程是最小二乘拟合过程。因此，在优选实施例中，基于沿第一方向接收的信号的期望增强和沿第二方向接收的信号的期望抑制，使用最小二乘拟合过程(例如，使用诸如穆尔-彭罗斯(Moore-Penrose)伪逆的伪逆技术)生成第三相量序列。然而，可以使用其他估计或“拟合”技术来生成第三相量序列，例如贝叶斯推断或最小绝对偏差方法。
优选地，第三相量序列W通过以下生成：
W＝S+Z
其中S是表示第一相量序列和第二相量序列的(通常为二维)矩阵，Z是表示第一方向和第二方向的加权的向量。S+是矩阵S的伪逆，通常是非方形的。优选地，S+是矩阵S的穆尔-彭罗斯伪逆。向量Z通常包括分别对应于第一方向和第二方向的一系列“1”和“0”。
然而，设想基于第一相量序列和第二相量序列的加权组合来提供第三相量序列的其他方式，例如遗传算法、查找表、仿真、暴力试验、蒙特卡罗仿真、深度学习或成本函数。
在该方法的步骤(h)中，使用第三相量序列提供相关信号，其中，提供相关信号包括将本地信号与接收信号数据相关，并将本地信号、接收信号数据和相关结果中的至少一个与第三相量序列相结合。如上所述，在相关过程中使用第三相量序列相对于沿第一方向接收的信号有利地主动抑制沿第二方向接收的一个信号。在相关过程中使用第三相量序列通常称为“运动补偿”，所得相关信号可称为“运动补偿”相关信号。
应理解，接收信号数据通常由从多个不同方向接收的多个信号组成。接收信号可以包括任何已知或未知的数字或模拟二者之一的发送信息模式，其可以通过使用同一模式的本地副本的互相关过程在广播信号数据中找到。接收信号可以用可用于测距的碎片代码(chipping code)编码。这种接收信号的示例包括GPS信号，其包括在无线电传输中编码的戈尔德码(Gold Code)。另一个示例是全球移动通信系统(Global System for MobileCommunications，GSM)蜂窝传输中使用的扩展训练序列。
通常，由接收器和远程源之间的直线路径的变化引起的接收信号的相位变化被视为降低定位精度的麻烦。本发明的反直觉方法实际上可以利用这些相位变化来改进对来自远程源的直线信号的识别，从而提高定位精度。
第三相量序列可以在相关之前与本地信号组合，以便它更接近地匹配接收信号。这被称为向本地信号提供运动补偿。在另一种布置中，可以在相关之前将反向运动补偿应用于接收信号数据，以减少对接收器运动的接收信号数据的影响。通过对本地信号和接收信号二者提供部分运动补偿，可以实现类似的结果。这些技术允许在本地信号和接收信号之间应用相对运动补偿。在一些实施例中，运动补偿可以与相关并行地执行。运动补偿也可以直接应用于相关的结果。
在实践中，可以将接收信号处理为包括同相分量和正交分量的复信号。类似地，本地信号可以是复的。相关可以提供相关信号，所述相关信号也可以是复的，并且可以用作对这些复信号之间相关性的测量值。
可以通过使用第三相量序列提供本地信号和接收信号数据中的至少一个的运动补偿来实现高定位精度。实际上，当应用于GNSS信号时，可以用周期性重复的代码对本地信号和接收信号进行编码。对于GPS L1 C/A码，例如本地信号和接收信号可以包括1023个伪随机数码片。本地信号和接收信号可以是模拟波形，可以将模拟波形数字化以提供无线电采样率下的值，这意味着在1ms时间段内可以有数百万个值。可以计算本地信号数字值和接收信号数字值之间的相关性，首先使用相关时间段的(第三相量序列的)运动补偿相量校正任一组值。然后可以在该时间段内对这些数据点求和。在实践中，尽管它可能需要大量的计算，但这可以产生准确的结果，因为它在无线电采样频率下工作。
通过提供相关的结果的运动补偿(即，将第三相量序列与通过将本地信号与接收信号数据相关而产生的“初始”相关信号相结合，以获得运动补偿相关信号)，可以实现较低的定位精度。在上述示例中，当应用于GPS L1 C/A码时，可以对大约1000个伪随机数码片中的每一个伪随机数码片独立地执行相关，以产生大约1000个复相关器信号输出。然后可以将(第三相量序列的)运动补偿相量应用于这些大约1000个相关信号分量。最后，可以对运动补偿相关信号求和以产生相关性的测量值。因此，对本地信号和接收信号数据的相关的结果的运动补偿可以产生通过在相关之前对本地信号和接收信号进行运动补偿可以实现的结果的近似值。然而，对于某些应用，精度的损失可以忽略不计，并且可以是能够接受的，因为它能够减少计算负载。相关结果的运动补偿可以以比GPS的码片速率(大约1MHz)低得多的速率成功应用。例如，运动补偿可以成功地应用于一个或更多个码字长度(<1kHz)，并且可以应用于长度为5ms(速率为200Hz)的相关输出。
第一方向(或多个第一方向)的确定和第二方向(或多个第二方向)的确定可以以多种不同的方式进行。可以基于远程源的已知或估计位置来确定第一方向。在第一方向是GNSS定位卫星的直线方向的优选实施例中，相关定位卫星的位置通常是已知的，例如从广播星历中得知。可以测量或假设接收器的初始位置，在某些情况下可能相当粗略——例如，可以基于地面无线电信号或最后已知位置得知接收器的城市或地区。
第二方向的确定可以基于对接收信号数据的分析。通常，可以分析接收信号数据，以确定期望抑制接收信号的一个或更多个第二方向(例如，反射的NSL方向)。特别地，可以分析接收信号数据，以确定反射信号的存在，然后期望主动抑制反射信号。
通常，这种分析可以包括基于接收器在相应的一个或更多个方向上的测量或假设移动，生成一个或更多个方向的相应相量序列；对于每一个方向，使用相应相量序列来提供方向相关信号，其中，提供所述方向相关信号包括将所述本地信号与所述接收信号数据相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与相应相量序列相关，以及基于对相应的一个或更多个方向相关信号的分析来确定第二方向。换言之，在一个或更多个方向执行的运动补偿的结果可以指示沿第二方向接收的信号的存在，期望抑制这些信号。
在一个实施例中，可以针对接收器和远程源之间的直线方向生成相量序列，并且其中，所述分析还包括确定接收信号是否包括在不同于所述直线方向的方向上接收的分量，其中，所述确定基于来自所述远程源的接收信号数据的信号强度和所述方向相关信号的信噪比。例如，如果方向相关信号(这里在SL方向上使用运动补偿)的信噪比相对较低，但从相应卫星接收的信号的信号强度较高，这表明存在反射信号，并且反射信号主导从该卫星接收的信号。
在另一个实施例中，可以执行跨越所有仰角和方位角对天空的“暴力”搜索，以便确定第二方向。在这样的实施例中，可以针对分布在可以在接收器处接收信号的基本上所有可能方向上的多个方向生成相应相量序列，并且其中，所述分析还包括至少基于相应相关信号的信噪比来确定是否沿所述多个方向中的每一个方向接收信号。例如，如果相关信号的信噪比约为1或更高，则这指示沿相应相量方向存在接收信号。由于第一方向通常是已知的，因此通常期望抑制天空搜索中的这种识别信号。
第二方向的确定可以基于接收器所在环境的地形模型，其中，所述模型用于预测在接收器处接收的反射信号的存在。例如，这种地形模型可以是接收器所在城市或地区的三维模型。可以在接收信号数据之前使用地形模型，以便预测可能接收到反射信号的方向。换言之，可以使用地形模型来确定第二方向，而不需要对接收数据进行分析。
替代地，可以在分析接收数据期间使用地形模型，例如，在推断接收器处已接收的反射信号之后，估计(例如来自建筑物的)反射信号的方向。
第一方向的确定和第二方向的确定可以基于接收器所在环境的先验知识。例如，最有可能在低仰角(位于地平线附近)观察到欺骗器。
通过在确定第一方向和第二方向之后生成所述相量序列，可以获得步骤(e)中的至少一个相量序列。
通常，可以使用针对相应相关时间段接收的同一信号数据，来执行以下所有步骤：确定第一方向和第二方向，获得指示接收器沿相应的第一方向和第二方向的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，生成第三相量序列以及提供相关信号。然而，在某些实施例中，可以重复使用来自先前时间段的知识，以减少功耗并提高电池性能。
例如，当为了确定第二方向而分析接收信号数据包括生成一个或更多个相应相量序列时，该方法还可以包括在可寻址存储器中存储相量序列，该相量序列对应于接收器在确定的第二方向上的测量或假设移动。因此，在实施例中，可以从所述可寻址存储器获得在步骤(e)中获得的至少一个相量序列。当执行本方法的步骤时，这有利地降低了处理功率和电池消耗。
在实施例中，所确定的第一方向和所确定的第二方向中的至少一个和/或在步骤(e)中获得的至少一个相量序列可以存储在可寻址存储器中。因此，如果可以假设第一方向和第二方向从一个时间段到下一个时间段不会改变(例如，接收器位于缓慢行走的行人身上)，则可以从可寻址存储器获得这些参数中的任何一个。
该方法还可以包括将生成的第三相量序列存储在可寻址存储器中。因此，所存储的第三相量序列可用于在随后的时间段期间提供相关信号，而不是生成新的第三相量序列，从而有利地减少所需的处理功率和电池消耗。当接收器在随后的时间段期间的测量或假设移动与接收器在构建第三相量序列的时间段内的测量或假设移动基本相同，并且在随后的时间段中的第一方向和第二方向与在构建第三相量序列的时间段期间的第一方向第二方向基本相同时，第三相量序列的这种重复使用是有益的。换句话说，当在两个时间段中接收的信号的“模式”基本相同时，第三相量序列可以有利地从一个(例如相关)时间段重复使用到另一个时间段。例如，可以针对慢速行走的行人假设这样的场景，其中，接收信号的第一方向和第二方向不太可能在相关性之间显著变化。
优选地，该方法还包括基于在步骤(h)中生成的相关信号来确定接收器的位置。这可以通过建立到至少三个定位源的距离并使用数学滤波器确定位置来以已知的方式实现。所计算的位置可用于本领域已知的各种应用。
在优选实施例中，该方法还可以包括：使用本地振荡器提供本地频率或相位参考；确定本地频率或相位参考与从至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或能够预测的频率或相位；并且其中，在步骤(e)中获得的第一相量序列和第二相量序列中的至少一个指示(例如，随时间变化)所确定的偏移。可以基于所确定的偏移(或偏移的时间序列)来调整第一相量序列和第二相量序列中的相量的振幅和/或角度。这样的实施例有利地有助于消除由本地振荡器中的不稳定性引入到相关信号中的误差。这在本地振荡器简单且成本低的实现中尤其有利，例如石英晶体(例如智能手机)。
可以通过基于接收器与接收参考信号的远程源(“参考源”)之间沿二者之间的向量的相对移动，消除引入到接收相位或接收频率的影响来隔离本地振荡器中的误差。因此，该方法可包括确定接收器和参考源沿二者之间的直线方向(“视线”)的运动分量。通过补偿本地振荡器提供的本地频率或相位与参考信号之间的偏移，移动接收器可以提供比可能的其他信号更长的相干积分。可以在1秒或更长的周期内对接收信号进行相干积分。这意味着提高了接收器的灵敏度，使得与上面讨论的加权相量序列的使用相结合，可以检测到较弱的定位信号并将其用于定位计算。
参考源可以是地面发射器。例如，参考源可以是蜂窝发射器或数字音频广播(DigitalAudio Broadcasting，DAB)、地面数字视频广播(DAB-Terrestrial，DVB-T)或模拟广播。参考源可以是卫星，例如具有高稳定性原子本地振荡器的GNSS卫星。参考源可以是沿第一方向或第二方向之一的远程源。重要的是，远程源中的本地振荡器至少应该比该本地振荡器更稳定。
如所讨论的，所确定的偏移可以表现在用于生成第三加权相量序列的第一相量序列和第二相量序列中。替代地，该方法还可以包括使用本地振荡器提供本地频率或相位参考；确定本地频率或相位参考与从至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或能够预测的频率或相位；以及使用所述偏移来提供本地信号。在这样的实施例中，使用来自本地振荡器的本地频率或相位参考以及所确定的偏移来生成用于相关的本地信号。理论上，校正可以应用于本地信号、接收信号数据和相关信号中的至少一个。
该方法可以包括随时间的变化确定本地频率或相位参考与第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移序列，并使用所述偏移序列来提供本地信号。因此，偏移序列可以表示为具有代表所确定的随时间变化的偏移的振幅和/或角度的相量序列。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括可执行指令的计算机程序产品，当由定位系统中的处理器执行时，所述可执行指令使处理器执行以上关于本发明的第一方面所述的步骤。
根据本发明的第三方面，提供了一种定位系统，包括：接收器、运动模块、方向确定单元、本地信号发生器、相量生成单元以及相关单元。接收器配置为从一个或更多个远程源接收信号数据；运动模块配置为提供所述接收器的测量或假设移动；方向确定单元配置为确定第一方向和第二方向，其中，期望增强沿所述第一方向在所述接收器处接收的信号，并且期望抑制沿所述第二方向在所述接收器处接收的信号；本地信号发生器配置为提供本地信号；相量生成单元配置为：(i)获得分别指示所述接收器在所述第一方向和第二方向上的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，所述第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量包括振幅和/或角度，以及(ii)根据所确定的第一方向和第二方向，基于所述第一相量序列和第二相量序列的加权组合生成第三相量序列；相关单元配置为使用所述第三相量序列提供相关信号，其中，提供所述相关信号包括将所述本地信号与接收信号数据进行相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述第三相量序列进行组合，使得沿所述第二方向接收的信号相对于沿所述第一方向接收的信号被抑制。
因此，本发明的第三方面的定位系统提供了上述关于第一方面的所有优点。通常，本发明第三方面的定位系统可以被配置为执行本发明第一方面的任何步骤，例如通过使用适当编程的处理器。
与本发明的第一方面一样，所述第一方向通常是从远程源到所述接收器的直线方向。所述第二方向通常是从远程源到所述接收器的非直线方向，或者是从不受信任的远程源到所述接收器的直线方向。
通常，所述第三相量序列是使用估计过程生成的，所述估计过程优选为最小二乘拟合过程。通常，所述估计过程基于沿所述第一方向接收的信号的期望增强和沿所述第二方向接收的信号的期望抑制。
在优选实施例中，所述第三相量序列W通过以下生成：
W＝S+Z
其中，S是表示第一相量序列和第二相量序列的矩阵，S+是S的伪逆，Z是表示第一方向和第二方向的加权的矩阵。
所述接收器可以包括天线和用于处理接收信号数据的电子器件。优选地，所述运动模块配置为提供天线的测量或假设移动。本发明在接收器确切地包括用于接收信号数据的一个(即单个)天线的实施例中发现了特别的优点。因此，在只有一个天线的设备(例如智能手机)中使用本发明可以获得改进的定位解决方案。这与例如可控接收模式天线(Controlled Reception PatternAntenna，CRPA)等的使用多个天线来确定接收信号的不同方向的传统解决方案形成对比。然而，可以设想，本发明也可以用于具有两个或更多个天线的定位系统中。
定位系统优选地还包括定位单元，所述定位单元配置为基于所述相关信号确定所述接收器的位置。
所述运动模块通常包括至少一个惯性传感器，例如加速度计或陀螺仪。然而，可以设想可用于测量接收器的移动的其他传感器，例如气压传感器、地磁传感器或可视里程表单元。所述运动模块通常可以是或可以包括惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)。替代地，所述运动模块可以基于先前时段中的移动模式来假设所述接收器的移动。
在优选实施例中，所述定位系统还可以包括可寻址存储器，所述可寻址存储器配置为存储由所述相量生成单元生成的至少一个相量序列和/或由所述方向确定单元确定的第一方向和第二方向中的至少一个。这有利地意味着，如果合适的话(例如，如果接收器的测量或假设移动以及第一方向和第二方向被认为在两个单独的时间段中基本相同)，可以在随后的时间段期间重新使用所存储的相量序列。相量序列的这种重复使用有益地减少了所需的算力和电池资源。
在优选实施例中，所述定位系统还可以包括本地振荡器，所述本地振荡器配置为提供本地频率或相位参考；以及本地振荡器偏移确定单元，所述本地振荡器偏移确定单元配置为确定本地频率或相位参考与从至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或能够预测的频率或相位，并且其中，由所述相量生成单元获得的第一相量序列和第二相量序列中的至少一个指示所确定的偏移。这样的实施例有利地允许1秒或更长的更长相干积分时间，如以上关于本发明的第一方面所解释的。
在实施例中，所述定位系统还可以包括本地振荡器，所述本地振荡器配置为提供本地频率或相位参考；以及本地振荡器偏移确定单元，所述本地振荡器偏移确定单元配置为确定本地频率或相位参考与从至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或能够预测的频率或相位，并且其中，所述本地信号发生器配置为使用来自所述本地振荡器的本地频率或相位参考以及所确定的偏移来提供所述本地信号。优选地，所述本地振荡器偏移确定单元配置为随时间的变化计算本地频率或相位参考与所述第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移序列。
所述定位系统通常提供在单个(例如GNSS)定位设备上。可以在诸如智能手机的电子用户设备中提供这种单个定位设备。替代地，所述定位系统中的各种模块(例如相关单元、方向确定单元和相量生成单元)可以被单独提供，以便所述定位系统是分布式的(即，配置为分布式系统)。例如，某些计算，诸如由所述相量生成单元和/或相关单元执行的计算，可以由网络中的处理器进行。因此，出于效率的考虑，电子用户设备可以在适当的情况下将计算转移到网络中的其他处理器。
在本发明的任何方面中，所述接收器通常是GNSS接收器。所述至少一个远程源通常包括至少一个GNSS卫星。
本发明的方法和定位系统通常可用于确定位置。然而，本发明可用于确定其他度量，例如时间和频率。本发明确定的度量可以用于导航或跟踪应用。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的优选实施例，其中：
图1是示出可使用本发明的方法和定位系统的示例性环境的示意图；
图2是示出根据本发明实施例的定位系统的有关部分的示意图；
图3是概述本发明优选实施例的主要步骤的流程图；
图4示意性地示出在相关过程期间如何应用运动补偿；
图5示意性地概述本发明对来自不同方向的信号接收的灵敏度的影响；
图6是概述本发明示例性实施例的步骤的流程图；以及
图7示意性地示出候选的第二方向。
具体实施方式
图1是通过举例示出了可使用本发明的方法和定位系统的示例性环境的示意图。此处，定位设备1000位于处在可能反射无线电信号(包括来自远程源的GNSS信号)的高层建筑之间的“城市峡谷”环境内。这种“城市峡谷”环境通常是定位系统精确确定位置解的挑战性环境。
在图1的示例中，定位设备1000接收来自第一定位卫星1000a的弱直线(SL)信号X1、来自同一卫星1000a的相对强反射非直线(NSL)信号X2以及来自第二远程源1000b的强非直线信号X3，在本示例中，该远程源为欺骗器。与信号X2和X3相比，SL信号X1的相对较弱由信号X1的虚线示意性地示出，这是由于SL信号X1在其从卫星到接收器的路径上穿过高楼。
沿方向D1在接收器处接收信号X1；沿方向D2在接收器处接收信号X2；以及沿方向D3在接收器处接收信号X3。
图2是示出根据本发明的定位系统的有关部分的示意图。接收器100包括用于接收诸如GNSS信号的无线电信号的天线2。在该示例中，接收器100包括单个天线，并且可以是诸如智能手机之类的手持电子设备的一部分。典型地，在天线处接收的广播信号是模拟信号，并且该广播信号被放大、下变频到基带或较低频率并由模数转换器转换成数字形式；这些过程发生在接收器前端块3中。如下面将讨论的那样，然后对数字化信号进行处理(相关)。
接收信号在相关单元1212中与本地信号发生器8生成的该信号的本地副本相关。相关单元包括相关器。本地信号发生器8配置为使用本地振荡器10的频率或相位参考来生成已知相关序列(例如GNSS卫星的伪随机数(PRN)码)的本地副本。
运动模块4包括能够测量接收器100的运动、特别是天线2的运动的传感器。运动模块4可以包括惯性传感器，例如加速度计和陀螺仪传感器，该惯性传感器的数据可以用于推断接收器的运动。运动模块4通常包括使用惯性传感器的惯性测量单元(IMU)，尽管可以替代地或附加地使用确定接收器运动的其他(非GNSS)手段，例如气压计、磁力计和例如Google
Figure BDA0003949531710000141
系统等的视觉里程表系统。在实施例中，运动模块可以处于包含定位单元的闭环系统中。
相量生成单元20推导指示由运动模块4测量的接收器运动的运动补偿相量。运动补偿相量可以应用于来自本地信号发生器8的本地信号、接收信号数据和相关的结果(例如，来自相关单元12内相关器的初始输出)中的至少一个。相量生成单元20生成的相量可以存储在本地存储器16中。
每一个相量包括振幅和(相位)角度中的至少一个。
方向确定单元(direction determination unit，DDU)6能够操作以确定应增强沿哪个方向或哪些方向的接收信号，以及应主动抑制沿哪个方向或哪些方向的接收信号。所确定的方向可以存储在本地存储器16中。
本地振荡器偏移确定单元(LO单元)5能够操作以确定本地振荡器10提供的参考频率或相位与从具有已知或能够预测频率或相位的远程参考源接收的参考信号的频率或相位之间的偏移(“误差”)。这样，本地振荡器10的精度可以与参考源的精度相匹配。下面将更详细地描述这些技术。
在通过相关单元12进行相关后，定位单元14基于相关的结果并结合由相量生成单元生成的相量来计算接收器的位置。在其他实施例中，可以确定不同的物理度量，例如时间或频率。
定位系统的上述每一个单元与处理器1进行逻辑通信，处理器1能够操作以根据执行的软件或固件控制各个单元的操作。在当前示出的实施例中，模块被提供在单个定位设备内，尽管在替代实施例中它们可以跨网络以分布式方式提供。
图3是示出了本发明优选实施例的主要步骤的流程图，并将参考图1和图2中所示的接收器100和环境进行描述。在步骤S100处，接收器100从远程源1000a和1000b接收信号数据。应理解，信号数据包括信号X1、X2和X3(以及本示例中未示出的其他信号，例如来自卫星1000a的进一步反射的NSL信号或来自其他远程源的信号)。
定位卫星1000a是例如GNSS定位卫星等的受信任源。图1示出了定位系统中可能出现的一种噪声形式，称为多径效应。这里，SL信号X1和NSL“多径”信号X2来自同一远程源1000a，但经由不同的路径到达接收器100处。这些信号因此在不同的时间被接收，并且可能具有不同的衰减和相位特性。因此，信号X1和X2可能充当彼此的噪声(例如，通过相消和/或相长干扰)，从而导致定位精度的显著问题。此外，如图1示意性地所示，由于信号X1在远程源1000a和接收器100之间的路径上衰减，SL信号X1具有比NSL信号X2更低的绝对功率。因此，传统上，接收器可以“锁定”到具有较高绝对功率的反射信号X2，由于额外的路径长度导致不正确的伪距计算。如将要描述的，本发明有助于减轻这些问题。
在此示例中，第二远程源1000b是不受信任的远程源，例如欺骗器。沿直线方向D3从欺骗器接收信号X3，尽管信号X3包含不正确的定位数据。因此，定位系统对信号X3的处理将产生不期望的不正确定位解。
在步骤S102处，运动模块4例如使用从IMU获得的数据来确定接收器的运动。替代地，在步骤S102处，接收器可以基于先前检测到的移动模式来假设天线的移动。例如，如果运动模块4的先前测量指示接收器以恒定方向和恒定速度移动，则可以假设当前移动与先前时段中的移动相同。步骤S100和S102通常以连续的方式执行，同时计算接收器的位置。
在步骤S104处，DDU 6确定期望增强信号的一个或更多个第一方向和期望主动抑制信号的一个或更多个第二方向。通常，方向确定模块6确定要增强信号的单个第一方向和期望抑制接收信号的多个方向。在图1所示的示例中，第一方向是定位卫星1000a和接收器100之间的SL方向D1，即，第一方向期望增强信号X1。期望抑制接收信号的第二方向是定位卫星1000a和接收器100之间的NSL方向D2以及欺骗器1000b和接收器100之间的SL方向D3。换言之，第二方向期望将信号X2和X3主动抑制在弱SL信号X1的功率以下。
如在本示例中，第一方向通常是指向诸如定位卫星之类的受信任源的SL方向，并且可以从卫星星座的广播星历中得知或估计。可以使用多种不同的技术来确定第二方向。这些技术可以包括：
●在几乎所有仰角和方位角上扫描天空，以测量接收信号的方向，并使用预定义标准确定接收信号是否为反射(即不期望的NSL)信号。
●使用三维地图辅助以估计反射(即不期望的)信号的方向。
●根据先验知识选择特定方向，例如，欺骗器最有可能在地平线附近观察到(具有较小仰角)。
本文将结合图6进一步描述这些技术。关于这些技术的更多细节可在公开文件WO2019/058119中找到。
确定的第一方向和第二方向可以存储在本地存储器16中(步骤S104’)，并在适当的后续时间段中重复使用，其中，假设接收器的运动以及第一方向和第二方向在整个时间段内保持基本恒定。
该方法可以可选地包括步骤S105：确定本地振荡器10的频率或相位参考相对于参考源接收的参考信号的参考频率或相位的偏移。这由本地振荡器偏移确定单元5执行。首先，基于接收到的信号数据选择参考源。参考源应具有高度稳定的本地振荡器，该本地振荡器至少比接收器中的本地振荡器10更稳定。参考源可以是卫星或地面发射器，参考信号优选地由接收器沿径直的直线路径接收。出于本示例的目的，我们假设参考源是星座(图1中未显示)中的与接收器间具有无障碍SL的一颗卫星。
接下来，本地振荡器偏移确定单元5确定接收器沿所选参考源方向的测量移动(在步骤S102中获得)的分量。本地振荡器偏移确定单元进一步确定参考源的运动。具体而言，本地振荡器偏移确定单元5确定所选参考源沿接收器和参考源之间的直线的运动分量。因此，本地振荡器偏移确定单元可以确定接收器和所选参考源沿连接它们的向量的相对移动。
因此，本地振荡器偏移确定单元5可以计算由于参考源和接收器100的相对移动而引入到接收参考信号的频率或相位误差。接收参考信号由参考源以已知和稳定的频率或相位提供。因此，一旦多普勒误差被去除，参考源的已知频率或相位与实际接收的频率或相位之间的任何剩余差异都可以归因于本地振荡器10提供的本地频率或相位参考中的误差。在此基础上，本地振荡器偏移确定单元5配置为计算本地振荡器10提供的频率或相位参考的偏移量。确定本地振荡器10提供的频率或相位中的误差的更多详细信息可在公开文件WO2019/008327和WO2019/063983中找到。
在步骤S106处，相量生成单元20根据由方向确定单元6确定的第一方向和第二方向生成相量序列。更具体地，相量生成单元生成指示接收器沿信号方向D1、D2和D3中每一个方向的运动的相应相量序列。
每一个相量序列φ包括多个相量，每一个相量通常具有与接收信号的样本相同的持续时间。在接收信号数据和测量接收器移动的时间段期间，因为存在接收信号的样本和本地信号的样本，在生成的相量序列φ中，通常有相同数量的N个相量φi(i＝1..N)。每一个相量φi表示基于接收器在时间t的运动的相位和/或振幅补偿，使得由多个相量组成的相量序列指示随时间变化沿特定方向的接收器运动。因此，相量序列可以称为“运动补偿”相量序列。
在步骤S105中确定本地振荡器偏移的实施例中，在步骤S106处生成的每一个相量序列φ可以进一步表示基于本地振荡器偏移确定单元5确定的偏移的相位和/或振幅补偿。这由图3中的步骤S105a表示。
相量φi是相位空间中的一种变换，并且是复值的，经由它的实值产生运动补偿相量序列的同相分量，并经由它的虚值产生运动补偿相量序列的正交相位分量。相量φi通常是循环相量，并可以用多种不同的方式表示，例如表示为从实轴顺时针旋转或从虚轴逆时针旋转。如上所述，每一个方向的相量序列指示接收器沿该方向的测量(或假设)移动。
对于相应的第一方向和第二方向的确定的相量序列可以存储在本地存储器16中(步骤S106’)，并在适当的后续时间段中重复使用，其中，假设接收器的运动以及第一方向和第二方向在整个时间段中保持基本恒定。
一旦已获得每一个方向(期望的SL方向和不期望的NSL/不受信任的SL方向二者)的相量序列，就基于各个方向相量序列的加权组合生成加权相量序列(步骤S107)。加权相量序列向量W由以下等式给出：
W＝S+Z,
其中，S是表示对应于信号方向D1、D2和D3的各个相量序列的矩阵，Z是加权向量。
S+是指矩阵S的伪逆，并且可以使用穆尔-彭罗斯伪逆或类似方法来获得S+以求解非方形矩阵的逆。
我们现在描述使用以下伪码生成加权相量序列向量W的示例性过程。
a＝{加权相量序列向量W中的元素数}；
dx＝{接收器位置沿x轴的变化}；
dy＝{接收器位置沿y轴的变化}；
dz＝{接收器位置沿z轴的变化}；
f＝{接收信号的射频}；
b＝{接收信号的入射角}；
A＝{要抑制的入射角向量}；
c＝{信号载体在该介质中的速度(例如光速)}；
Z＝{期望增益向量}；
i＝虚算子；
我们首先构建向量W创建期间接收器位置随时间变化的序列：
for J＝1:a
d(J)＝sqrt(dx(J)^2+dy(J)^2+dz(J)^2)；
end
接下来，为感兴趣的信号(例如SL信号)的到达方向生成相量序列φ，注意，在不丧失一般性的情况下，只要K＜a，即有K个感兴趣的信号方向，并且接收器相对于感兴趣的信号和/或信号反射移动，则可以选择构建由K个第一相量序列φ构成的加权相量序列向量W。通常K＝1(受信任卫星的单一直线路径)。
Figure BDA0003949531710000181
注意，对于接收器沿直线移动且总路径长度(|d(end)-d(1)|)远小于到任何反射器或信号源的距离的情况，则b(I,J)＝b(I)＝加权相量序列向量W的给定计算中的常数。
接下来，生成期望强烈衰减的信号到达的相位序列φ：
Figure BDA0003949531710000182
Figure BDA0003949531710000191
最后，通过执行以下矩阵操作求解加权相量序列向量W：
W＝(pinv(S)*Z)
其中，pinv是指求解非方形矩阵的逆的穆尔-彭罗斯伪逆或类似方法，Z是不同接收信号方向的期望加权的向量(1表示要增强的期望信号方向，0表示要抑制的信号方向)。
然后可以应用所得到的加权相量序列向量W来对接收信号数据进行相干积分。
继续上文关于图1已描述的示例性环境，为简单起见，假设加权相量序列向量W中有四个元素，即a＝4，沿方向D1的相量序列可以表示为：
φ1＝(φ(1,1)φ(1,2)φ(1,3)φ(1,4))；
沿方向D2定向的相量序列可以表示为：
φ2＝(φ(2,1)φ(2,2)φ(2,3)φ(2,4))；
以及沿方向D3定向的相量序列可以表示为：
φ3＝(φ(3,1)φ(3,2)φ(3,3)φ(3,4))。
因此，S可以写成：
Figure BDA0003949531710000192
由于期望增强沿方向D1接收的信号并主动抑制沿方向D2和D3接收的信号，向量Z采取的形式为：
Z＝(1,0,0)。
因此，
Figure BDA0003949531710000193
所生成的加权相量序列向量W可以存储在本地存储器16中(步骤S107’)，并在适当的后续时间段中重复使用，其中，假设接收器的运动以及第一方向和第二方向在整个时间段中保持基本恒定。
回到图3，在步骤S108中，相关单元12将来自本地信号发生器8的本地信号与接收信号数据相关，其中通过在相关之前将加权相量序列向量W与本地信号和接收信号数据中的至少一个进行组合来应用运动补偿。替代地或附加地，加权相量序列向量W可以与相关的结果相结合。该相关运算的结果与加权相量序列W相结合，有利地在SL方向D1上提供增强的增益，并最大限度地抑制来自方向D2和D3的不期望的能量，因为来自这些不期望方向的能量通过如上所述的各个相量序列的加权被主动衰减。该技术显著提高在诸如如图1所示的城市峡谷甚至室内环境之类的具有挑战性的环境中检测和使用直线路径定位信号的能力。在图1的示例中，考虑到沿方向D2和D3接收的能量的主动衰减，这可能意味着被建筑物显著衰减的SL信号X1可用于定位计算。
如上所述，在步骤S105中确定本地振荡器偏移的实施例中，步骤S106中生成的相量序列可以表示基于本地振荡器偏移确定单元5所确定的频率或相位偏移(步骤S105a)的相位补偿。替代地，在步骤S108中，本地信号发生器8可以使用本地振荡器10提供的频率或相位参考以及由本地振荡器偏移确定单元5确定的偏移来生成本地信号。这由图3中的步骤S105b表示。本地振荡器的精度可以因此与本地振荡器的精度相匹配，因此可以以更大的稳定性提供本地信号。
在相关过程中使用由本地振荡器偏移确定单元5确定的相位或频率偏移(经由S105a或S105b引入)可以有利地允许在1秒或更长的时间段内对接收的定位信号进行相干积分，而不会由于本地振荡器10中的任何固有不稳定性而引入误差。
加权相量序列向量W可应用于本地信号、接收信号数据和来自相关单元12的初始输出中的至少一个。图4是示出为了提供运动补偿，如何将加权相量序列向量W应用于本地信号的示意图，当将加权相量序列向量W应用于接收信号数据或相关的结果时，执行等效处理。如上所述，相量生成单元20生成加权运动补偿相量序列向量W，该向量包括同相分量I和正交相位分量Q。同相分量I和正交相位分量Q二者与本地信号发生器8生成的相同相关码混合(22)，以生成运动补偿相关码作为同相分量Ⅰ和正交相位分量Q。相关单元12将运动补偿相关码的同相分量与接收信号X(以数字形式)混合(24)并对结果执行积分和转储13，以产生同相相关结果30。相关单元12将正交相位运动补偿相关码与同一接收信号X混合(24)并对结果执行积分和转储13，以产生正交相位相关结果32。
如本文已解释的，通常，加权相量序列向量W可以应用于本地信号、接收信号数据和相关的结果中的至少一个，以便执行运动补偿。关于运动补偿相量序列的生成及其在相关中的使用的更多细节可以在WO2017/163042中找到。
在步骤S110处，如本领域已知的，基于相关过程的结果来计算接收器的位置。
现在将参考图5描述使用加权相量序列向量W进行相关的效果。图5是示意性地示出当仅使用针对沿期望SL信号方向D1的接收器运动而生成的相量序列来执行相关时(图5中的虚线)，以及当使用根据本发明的加权相量序列向量W进行相关时(图5的实线)，对入射信号的灵敏度(纵轴)相对于到达角(横轴)的关系的图。如果接收器沿直线移动，则横轴表示相对于运动方向的锥角θ。对于复杂的接收器路径，到达角和灵敏度之间的关系为非线性映射，并由3D表面表示。为了本示例的目的，我们考虑简单的线性接收器路径，SL信号方向D1在接收器处具有到达角θ。
首先参考虚线(仅沿D1的运动补偿)，我们可以看到与期望信号方向D1相对应的角度θ处的峰(在50处示出)和与不期望信号角度相对应的多个次峰。在某些情况下，次峰的灵敏度和沿相应角度接收的信号强度的组合可导致与期望信号相比不期望信号的更高的接收信号强度，并且接收器可能无意地锁定不期望信号(例如反射信号X2或欺骗器信号X3)。如上所述，如果期望的SL信号特别弱和/或不期望信号具有高信号强度，则这是特殊的问题。
实线示意性地示出了当加权相量序列向量W用于与在天线处接收的相同信号数据相关时的灵敏度。灵敏度图案仍然显示出显著的峰(在60处示出)和许多次峰。然而，当仅沿方向D1使用运动补偿时，在存在次峰的角度处灵敏度显著降低。特别地，在对应于虚线图案中的第一次峰(51)的角度处，实线的灵敏度被显著抑制。在一些情况下，实线的灵敏度图案表现出与虚线增益图案中的峰相对应的零点(例如，如53处所示)。因此，当使用加权相量序列向量W执行相关时，接收器“锁定”到不期望信号方向的风险显著降低。
值得注意的是，与虚线相量序列相比，加权相量序列向量W增益图案的峰具有稍小的振幅，并且在角度上偏移了少量δθ。然而，这不会不利地影响接收器锁定到期望SL信号X1的能力，特别是由于沿不期望信号方向的旁瓣增益的显著抑制。因此将理解，使用加权相量序列向量W的运动补偿相关过程显著改善了在诸如多径环境之类的传统困难环境或存在诸如来自欺骗器的强不期望信号的情况中的相关。
我们现在回到图3所概述的流程图的步骤S104，其中确定了第一方向(信号增强的方向)和第二方向(信号抑制的方向)，并考虑了确定所述方向的一种示例性方法。该方法的主要步骤如图6的流程图所示，并由方向确定单元6执行。
图6的流程图表示对天空的“暴力”搜索，以生成接收到不期望的信号(如NSL信号)的候选方向。应注意，由于卫星在定位星座中的位置的知识(例如通过存储在接收器100上的广播历书和星历数据)，期望的SL方向通常是已知的。在步骤S104a处，方向确定单元6生成表示接收器在多个候选方向上的运动的运动补偿相量，这些候选方向是通过选择仰角α和方位角β的适当值而选择的，以为可以接收信号的所有可能方向提供天空的全覆盖。图7示出了特定角度α和β下的候选方向70。根据接收器沿候选方向的测量或假设移动生成运动补偿相量。
对于每一个候选方向，通过将本地信号和接收信号相关并应用该候选方向的运动补偿相量序列来计算运动补偿相关信号(步骤S104b)。如前所述，运动补偿相量序列可以应用于本地信号、接收信号和相关的结果中的至少一个。
在步骤S104c处，方向确定单元6对运动补偿相关信号进行分析，以确定候选方向是否是可能接收到信号的方向。这通常基于对该候选方向的运动补偿相关信号的信噪比的分析。例如，如果确定了高信噪比，则该候选方向是接收信号的可能方向。如果候选方向不是到受信任源的SL方向，则这种信号可能是不期望的NSL信号(例如反射信号)。
如果运动补偿相关信号具有低信噪比(例如，SNR约为1或更小)，则可以推断沿该候选方向没有接收到反射信号。
在步骤S104d处，可以在本地存储器16中存储用于确定可能已接收到不期望(例如反射NSL)信号的候选方向的运动补偿相量。这些存储的相量序列和相关方向可以在适当的后续时间段中重复使用，其中假设接收器的运动以及第一方向和第二方向在时间段内基本保持恒定，以便在步骤S107中生成加权相量序列向量W。这有利地优化了处理和功率资源的使用，而不必在S106中重新生成相量序列。
除了识别可能反射的NSL信号方向外，这种“暴力”搜索还可以用于识别潜在的伪造源，如欺骗器。上述技术可用于基于信号到达方向和朝向受信任远程源的方向的知识来区分由受信任远程定位源发送的受信任信号和伪造信号。
这种对天空的暴力搜索是计算密集的过程，在一个实施例中，可以通过使用接收器100周围环境的地形(例如三维(three dimensional，3D))模型(例如3D城市模型)来确定期望方向和不期望方向。这种模型可以存储在本地存储器16中，并根据需要提供给方向确定单元6。
在使用3D模型的实施例中，地图可用于瞄准可能接收到反射信号的候选方向，而不是如上所述基本上扫描所有仰角和方位角的“暴力”方法。例如，可以沿到受信任源的直线方向提供运动补偿，并对来自该受信任源的总信号强度和运动补偿相关信号的信噪比进行分析。基于所述分析，可以推断是否接收到反射信号。例如，如果运动补偿相关信号的信噪比相对较低，但接收器100从该卫星接收到高信号强度，则可以推断出反射信号主导来自该卫星的接收信号。然后可以使用环境的3D模型来确定可以在接收器处接收(例如从建筑物反射)反射信号的候选方向。
如果基于3D模型在天空的暴力扫描中沿不可能发生任何反射的方向接收到信号分量，则这种3D模型可用于确定伪造源，例如欺骗器。
关于使用3D模型生成候选方向的更多细节可以在公开文件WO2019/058119中找到。
在一些实施例中，接收器环境的3D模型可以用于预先预测可能从何处接收反射，并且步骤S104中的第一方向和第二方向的确定可基于所述预测而不使用图6的方法来执行。
在迄今为止概述的示例中，要增强信号的第一方向是到受信任源的SL信号。预计在大多数情况下都将是这样。然而，本发明可用于在任何期望的方向中提供优先增益，例如，如果目标是定位欺骗器源，则可能存在期望的第一方向是到欺骗器的SL方向的用例。在这种情况下，加权相量序列W将用于主动抑制SL或NSL卫星信号。
本发明特别适用于使用单个天线的接收器100，其中由接收器软件执行的方法用于在空间上区分接收信号。然而，可以设想，在其他实施例中，接收器可以包括两个或更多个天线，这些天线可以用于结合如上所述的方法进一步帮助区分接收信号的方向。

Claims (36)

1.一种在定位系统中执行的方法，包括：
(a)在接收器处接收来自一个或更多个远程源的信号数据；
(b)测量或假设所述接收器的移动；
(c)确定第一方向，其中，期望增强沿所述第一方向在所述接收器处接收的信号；
(d)确定第二方向，其中，期望抑制沿所述第二方向在所述接收器处接收的信号；
(e)获得分别指示所述接收器在所述第一方向和第二方向上的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，所述第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量包括振幅和/或角度；
(f)根据所确定的第一方向和第二方向，基于所述第一相量序列和第二相量序列的加权组合来生成第三相量序列；
(g)提供本地信号；以及
(h)使用所述第三相量序列提供相关信号，其中，提供所述相关信号包括将所述本地信号与接收信号数据相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述第三相量序列进行组合，使得沿所述第二方向接收的信号相对于沿所述第一方向接收的信号被抑制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一方向是从远程源到所述接收器的直线方向。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第二方向是从远程源到所述接收器的非直线方向，或者是从不受信任的远程源到所述接收器的直线方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一相量序列和第二相量序列是随时间的变化从所述接收器的测量或假设移动推导出的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三相量序列是使用估计过程来生成的，所述估计过程优选为最小二乘拟合过程。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述估计过程是基于沿所述第一方向接收的信号的期望增强和沿所述第二方向接收的信号的期望抑制。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第三相量序列W通过以下来生成：
W＝S+Z
其中S是表示所述第一相量序列和第二相量序列的矩阵，S+是S的伪逆，Z是表示所述第一方向和第二方向的加权的矩阵。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一方向是基于远程源的已知或估计位置确定的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二方向的确定是基于对所述接收信号数据的分析。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述分析包括：
基于所述接收器在相应的一个或更多个方向上的测量或假设移动，生成用于所述一个或更多个方向的相应相量序列；
对于每一个方向，使用所述相应相量序列来提供方向相关信号，其中，提供所述方向相关信号包括将所述本地信号与所述接收信号数据相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述相应相量序列相关，以及
基于对相应的一个或更多个方向相关信号的分析来确定所述第二方向。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，针对所述接收器和远程源之间的直线方向生成相量序列，以及其中；
所述分析进一步包括确定接收信号是否包括在不同于所述直线方向的方向上接收的分量，其中，所述确定是基于来自所述远程源的接收信号数据的信号强度和所述方向相关信号的信噪比。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，针对分布在所述接收器处能够接收信号的所有可能方向上的多个方向生成相应相量序列，以及其中，所述分析进一步包括至少基于相应方向相关信号的信噪比来确定是否沿所述多个方向中的每一个方向接收到信号。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二方向的确定是基于所述接收器所处环境的地形模型，其中，所述模型用于预测在所述接收器处接收的反射信号的存在。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一方向的确定和所述第二方向的确定是基于所述接收器所处环境的先验知识。
15.根据权利要求10至从属于权利要求10时的权利要求14中任一项所述的方法，进一步包括在可寻址存储器中存储相量序列，所述相量序列对应于所述接收器在所确定的第二方向上的测量或假设移动。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括将所确定的第一方向和所确定的第二方向中的至少一个和/或在步骤(e)中获得的至少一个相量序列存储在所述可寻址存储器中。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括将所生成的第三相量序列存储在所述可寻址存储器中。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：
使用本地振荡器提供本地频率或相位参考；
确定所述本地频率或相位参考与从所述远程源中的至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或可预测的频率或相位；以及其中，
在步骤(e)中获得的所述第一相量序列和第二相量序列中的至少一个指示所确定的偏移。
19.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，进一步包括：
使用本地振荡器提供本地频率或相位参考；
确定所述本地频率或相位参考与从所述远程源中的至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或可预测的频率或相位；以及
使用所述偏移来提供所述本地信号。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述方法包括随时间的变化确定所述本地频率或相位参考与所述第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移序列，并使用所述偏移序列来提供所述本地信号。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括基于所述相关信号确定所述接收器的位置。
22.一种包括可执行指令的计算机程序产品，所述可执行指令在由定位系统中的处理器执行时，使所述处理器执行前述权利要求中任一项的步骤。
23.一种定位系统，包括：
接收器，配置为从一个或更多个远程源接收信号数据；
运动模块，配置为提供所述接收器的测量或假设运动；
方向确定单元，配置为确定第一方向和第二方向，其中，期望增强沿所述第一方向在接收器处接收的信号，并且期望抑制沿所述第二方向在接收器处接收的信号；
本地信号发生器，配置为提供本地信号；
相量生成单元，配置为：
(i)获得分别指示所述接收器在所述第一方向和所述第二方向上的测量或假设移动的第一相量序列和第二相量序列，所述第一相量序列和第二相量序列各自包括一个或更多个相量，所述相量包括振幅和/或角度，以及
(ii)根据所确定的第一方向和第二方向，基于所述第一相量序列和第二相量序列的加权组合生成第三相量序列；以及
相关单元，配置为使用所述第三相量序列提供相关信号，其中，提供所述相关信号包括将所述本地信号与接收信号数据相关，并将所述本地信号、所述接收信号数据和所述相关的结果中的至少一个与所述第三相量序列进行组合，使得沿所述第二方向接收的信号相对于沿所述第一方向接收的信号被抑制。
24.根据权利要求23所述的定位系统，进一步包括定位单元，所述定位单元配置为基于所述相关信号确定所述接收器的位置。
25.根据权利要求23或24所述的定位系统，其中，所述运动模块包括至少一个惯性传感器。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的定位系统，进一步包括可寻址存储器，所述可寻址存储器配置为存储由所述相量生成单元生成的至少一个相量序列和/或由所述方向确定单元确定的所述第一方向和第二方向中的至少一个。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的定位系统，其中，所述接收器确切地包括用于接收所述信号数据的一个天线。
28.根据权利要求23至27中任一项所述的定位系统，进一步包括：
本地振荡器，配置为提供本地频率或相位参考；以及
本地振荡器偏移确定单元，配置为确定所述本地频率或相位参考与从所述远程源中的至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或可预测的频率或相位，以及其中，
由所述相量生成单元获得的所述第一相量序列和第二相量序列中的至少一个指示所确定的偏移。
29.根据权利要求23至27中任一项所述的定位系统，进一步包括：
本地振荡器，配置为提供本地频率或相位参考；以及
本地振荡器偏移确定单元，配置为确定所述本地频率或相位参考与从所述远程源中的至少一个远程源接收的第一参考信号的接收频率或接收相位之间的偏移，所述第一参考信号具有已知或可预测的频率或相位，以及其中
所述本地信号发生器配置为使用来自所述本地振荡器的本地频率或相位参考以及所确定的偏移来提供所述本地信号。
30.根据权利要求29所述的定位系统，其中，所述本地振荡器偏移确定单元被配置为随时间的变化计算所述本地频率或相位参考与所述第一参考信号的所述接收频率或接收相位之间的偏移序列。
31.根据权利要求23至30中任一项所述的定位系统，其中，所述定位系统设置在单个定位设备上。
32.根据权利要求23至30中任一项所述的定位系统，其中，所述定位系统被配置为分布式系统。
33.根据权利要求23至32中任一项所述的定位系统，其中，所述第三相量序列是使用估计过程来生成的，所述估计过程优选为最小二乘拟合过程。
34.根据权利要求33所述的定位系统，其中，所述估计过程是基于沿所述第一方向接收的信号的期望增强和沿所述第二方向接收的信号的期望抑制。
35.根据权利要求23至34中任一项所述的定位系统，其中，所述第三相量序列W由以下来生成：
W＝S+Z
其中S是表示所述第一相量序列和第二相量序列的矩阵，S+是S的伪逆，Z是表示所述第一方向和第二方向的加权的矩阵。
36.根据前述权利要求中任一项所述的方法、计算机程序产品或定位系统，其中，所述接收器是GNSS接收器，并且所述至少一个远程源包括至少一个GNSS卫星。
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