CN1391110A - 带有校正多径信号效应装置的射频信号接收机及启动该接收机的方法 - Google Patents

带有校正多径信号效应装置的射频信号接收机及启动该接收机的方法 Download PDF

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Abstract

卫星等发送源的特定代码调制的射频信号接收机，包含带有射频信号频率变换以产生中间信号的接收和整形装置，由几个相关信道构成的接收中间信号的相关级，与相关级相连以在相关后处理要提取数据的微处理器装置。每个信道包含一个相关器，其中中间信号与要搜索和跟踪的可视发送源特定代码的至少两个初期和后期复制品相关。相关器还包括相关信号的积分装置以提供初期信号自相关函数第一个幅值和后期信号的第二个幅值。在第一工作信道中检测到多径信号时，通过微处理器装置至少配置一个第二未用信道，并将其与第一信道并联。第二信道承担在第一工作信道的两个幅值间搜索最大幅值的任务。特别是GPS型的接收机可安装在手表中，并由手表的蓄电池或电池供电。

Description

带有校正多径信号效应装置的射频 信号接收机及启动该接收机的方法
技术领域
本发明涉及射频信号接收机，特别是GPS类型的，它带有用来校正多径信号效应的装置。本发明也涉及到用来启动或者设定接收机工作的方法。
背景技术
由发送源特定代码调制的射频信号的接收机包含接收和整形装置。这些装置允许射频信号的频率变换以提供中间信号。
接收机也包含由几个相关信道构成用来接收中间信号的相关级。每个信道具有一个相关器，其中对中间信号进行相关。当信道正在被使用时，通过相关器的至少一个控制回路来实现与要搜索和跟踪的可视发送源特定代码的至少两个复制品的相关，这些复制品始终同相。相关器包含用来积分被相关信号的装置，在每个积分周期的最后提供初期信号自相关函数的第一幅值，以及后期信号自相关函数的第二幅值。在发送源跟踪模式中，第一个幅值和第二个幅值基本相同。
接收机也包含与相关级相连在相关后用来处理从射频信号中提取的数据的微处理器装置。
如果上述的接收机是一个GPS接收机，则从射频信号中提取的数据，特别地，是GPS消息，伪距和多普勒频率，这些数据用来计算位置、速度和时间(小时)。
本发明的射频信号接收机当然还能用于GLONASS或者GALILEO型的卫星导航系统中。同样地，接收机可以用在移动电话网络中，比如CDMA(码分多址)型网络。在这种情况下，发送源不再是卫星而是电话网络的基本小区，处理的数据涉及到可听或者可识别的消息，或者是导航消息。
目前，24颗卫星置于地球表面上方接近20,200公里处的6个轨道平面上的轨道中，每个轨道平面关于赤道偏离55°。在地球上方的轨道上在返回同一位置之前卫星完全旋转一周所用的时间接近12小时。在轨道上卫星的分布使地球上的GPS接收机能够从至少四个可视的卫星中接收GPS信号，用来确定位置、速度和当地时间。
在民用中，轨道上每个卫星发送由1.57542GHz的载波频率构成的射频信号，其中对每个卫星特有的1.023MHz伪随机PRN代码以及对50Hz的GPS消息进行调制。GPS消息包含发送卫星的天文历表和年鉴数据，这些特别对于计算X、Y、Z位置，速度和与时间相关的数据时有用。
PRN(伪随机噪声)代码，特别是金色码型代码，对于每个卫星来说彼此不同。金色码是由每隔一毫秒就重复的1023个码片组成数字信号。重复周期也由金色码中的术语“时段(epoch)”来定义。值得注意的是码片对一个比特采用1或者0的数值。然而，码片(在GPS技术中应用的术语)要与用来定义数据单位的一个比特区分开。
对32个卫星标识号进行定义的金色码具有正交的特征。通过它们彼此的相关，相关结果产生接近0的数值。这样这一特点使得同时从几个卫星中产生的并以相同频率发送的几个射频信号可以独立地在同一个GPS接收机的多个信道中处理。
目前，在一些日常活动中，便携式的或者特别集成在车辆中的GPS接收机用来使导航数据提供给用户。这些数据特别有利于定位、寻找目的和了解方位。此外，便携式GPS接收机趋于具有更小的尺寸以便使它们能够集成在一些物体比如在便携式电话或者手表中，这样可以很容易地通过个人来运送。然而，由于它们是通过小尺寸的电池或者蓄电池来供电的，通常需要最小化接收机的能量消耗。
值得注意的是GPS接收机需要接收由至少四个可视卫星发送的射频信号以便详细确定它的位置和与时间相关的数据。接收机也能够通过用雷达分别跟踪可视卫星中的一个来接收每个卫星特有的天文年历数据和年鉴数据。
附图1示意性地显示了GPS接收机1，它带有用来接收射频信号的天线2。为了能够确定其位置、速度和与时间相关的数据，上述GPS接收机1必须接收来自至少四个可视卫星S1至S4的信号SV1至SV4。然而当上述接收机1在由许多障碍物所包围的场所中使用时，比如在城市的建筑物B中，由接收机1接收的某些射频信号SV1′和SV3′有时通过这些障碍物反射。这些经过反射并与来自同一发送源的直接信号SV1和SV3相组合的信号SV1′和SV3′使得从接收机所接收的信号集中提取的数据产生了偏差。这些偏差特别是对于计算接收机的位置有影响。
对于陆地导航接收机来说，相应于计算位置45m的偏差，由于多径信号产生的相位偏差可能大于或等于150ns。通常，额定偏差在30ns界限之内，这相应于计算位置近似9m的偏差。即使对这种多径信号的现象了解得很清楚，这些偏差通常很难彻底消除。已经提出一些实施例用来最小化这些多径信号的影响。
特别地，可以引用诺瓦泰尔(Novatel)公司的专利应用No.WO95/14937，它公开了一种伪随机噪声编码的射频信号接收机，它带有补偿因多径信号产生的失真的装置。为了做到这一点，接收机包含了几个相关信道，每一个的目的在于同时捕捉特定的卫星。每个信道的自相关装置包含几个相关器，每个相关器接收内部产生的伪随机代码复制品的相位，它相对于与中间信号相关的其它复制品而发生偏移。提供信道中每个相关器的输出信号功率等级估计器，用来消除多径信号效应。每个复制品之间的相位偏差小于0.2个码片，这就要求对每个复制品有很高的固定频率。
这种接收机的主要缺点是每个信道带有很多相关器用来获取并跟踪特定可视卫星的相位。因此，在形成信道相关级的时候所需的大量部件导致了很高的能耗，它不允许接收机集成在包含低容量能源的便携式物体上。
在同样的技术范围中，特林布尔导航有限公司(Trimble Navigation Limited)的美国专利No.5,966,403公开了扩展频谱射频接收机，它也包含了用来最小化多径信号效应的装置。这个文献提供了两种可替换的实施例。在第一个变体中，均匀或者非均匀信号加权函数用来将初期和后期的复制品和中间信号进行相关。微处理器装置接收一些相关过的和加权的信号，关闭载波和代码控制回路。这些微处理器装置承担估计因多径信号产生的信号失真的任务以及最小化这些失真的任务。
在第二个变种中，接收机的两个相关信道并联使用，用来跟踪同一个卫星，它发送的信号会偏离其轨道。第二信道用来使微处理器装置最小化因多径信号产生的失真。为了使微处理器能够评估因多径信号产生的失真，强加了一个相位延迟，用来产生每个信道初期和后期的复制品。
就前面的文献而言，这些实施例的一个缺点本质上在于用来最小化多径信号效应的各个信道结构的复杂性。此外，大尺度的微处理器用作所有同步的任务。复杂性也导致了高能耗，这就阻止了这样的接收机集成在具有低容量能源的小尺寸的便携式物体上。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种射频信号接收机，它能够在校正多径信号的效应的同时限制接收机所必须的部件数，并且降低其功率消耗以便克服现有技术中接收机的缺点。这样接收机可以在小尺寸的便携式物体中适用。
本发明的另一个目的在于使用接收机中那些具有与允许校正多径信号的效应的信道相同结构的未用信道。
这一目的和其它目的通过在此所述的接收机来实现，该接收机的特征在于通过微处理器装置配置至少一个第二未用信道，它与至少一个用来搜索和/或跟踪同一个可视发送源的第一工作信道并联放置，当微处理器检测到在第一工作信道中存在多径信号时，微处理器装置控制第二信道产生与中间信号相相关的特定代码的复制品，以便第二信道的积分装置提供第一信道自相关函数的第一个和第二个幅值之间的自相关函数最大的幅值。
本发明的接收机的一个优点是通过使用相同的信道以及与微处理器装置共同工作，避免了因多路射频信号效应产生的计算误差的问题，其中每个信道包含了相同数目的部件。当接收机工作时，并非所有的相关信道都使用，因为可视的发送源特别是可视卫星的数目小于接收机中相关信道的数目。这就意味着一定数目的信道保持未用。结果，这些定义为未被使用的信道可以与工作信道并联连接以允许微处理器装置校正因多径信号产生的偏差。
值得注意的是微处理器装置至少需要四个在特定可视卫星跟踪模式中所使用的相关信道，以便它能计算位置、速度和与时间相关的数据。这样，当在工作信道之一中检测到多径信号时，可以只提供一个与工作信道并联的未用信道。
上述接收机必须能够集成在包含低容量能源并能很容易携带的物体中，这就强制减少在每个相关信道中部件的数目。此外，对所有同步任务的管理必须能够以简化的方式来实现，特别是在每个独立于微处理器装置的相关信道中。通常只是在工作信道中检测到了多径信号的存在之后，微处理器装置才帮助未用的信道搜索自相关函数的最大幅值。这样在所述微处理器装置和工作信道之间很少有数据传递，这就减小了接收机的能耗。
本发明接收机的另一个优点是将第一信道通常使用的参数通过微处理器装置传送到与第一信道并联的第二信道中。因此第二信道与微处理器装置一起工作能更快地找到自相关函数的最大幅值。即使第二信道由于稳定性的原因而连接，由于有可能多径信号消失了，因而第一信道仍能保持使用。在这种情况下，第二信道停止使用，第一信道向微处理器装置提供数据，特别是用来计算GPS接收机的位置、速度和时间相关的数据的操作。
由第二信道提供的自相关函数的最大幅值和第一信道初期信号的第一自相关函数的幅值之间的相位偏移可以存储。相位的偏移可以引入作为第二未用信道的附加参数，该信道将来与第一工作信道并联连接。
通常，微处理器装置包含存储装置，其中关于卫星位置、卫星特定代码和对陆地上的接收机来说，在该接收机被启动时是可视的卫星的数据。这样接收机在设定所选的相关信道工作的时候可以确定哪些卫星是可视的。
根据这种用来校正接收机多径信号效应的方法，也可以达到该目的和其它目的，这种方法包含第一组步骤，它包括：
-配置和切换一定数目的第一信道以便每个信道搜索和跟踪特定的发送源；
-将每个与中间信号相关的第一工作信道特定代码的初期和后期复制品进行相位偏移，直到自相关函数的第一个和第二个幅值相等时为止；
-在寻找和/或跟踪阶段，存储初期信号和后期信号的相关幅值以及相应的相位偏移，上述方法的特征在于它还包含了第二组步骤：
-对于每一个第一工作信道，在搜索和/或跟踪阶段使用自相关函数幅值和存储的相应相位偏移，当信道处于发送源跟踪模式时，来计算初期信号第一个幅值点处的自相关函数的第一个斜率和在后期信号的第二个幅值点处的自相关函数的第二个斜率；
-如果计算的两个斜率在绝对值上有明显的不同，或者在跟踪模式中初期信号的第一个幅值或者后期信号的第二幅值中发现变化，则配置和切换至少一个与第一工作信道并联放置的第二未用信道；
-在微处理器装置指令下对第二信道的码的复制品之一进行相位偏移，直到第二信道的积分装置提供了第一信道自相关函数第一、第二幅值之间的自相关函数的最大幅值，以便微处理器装置能够从第二信道的射频信号中提取数据同时校正多径信号的效应。
附图说明
通过附图，在下面实施例的描述中，射频信号接收机的这些目的、优点和特征以及启动上述接收机的方法是显而易见的，其中：
-如上所述，附图1介绍了从至少四个卫星中获取信号的GPS型射频信号接收机，其中来自两个卫星的信号由于障碍物而偏离了它们的轨道；
-附图2示意性地说明了根据本发明的射频信号接收机的各个部分；
-附图3示意性地说明了根据本发明的接收机相关级的一个信道中一个相关器的各个部件；
-附图4a和4b分别说明了自相关函数的曲线，以及与相位发生偏移的复制品相关用来定义自相关函数的中间信号；
-附图5a说明了自相关函数的曲线，在跟踪阶段与初期复制品相关的信号的幅值等于与后期复制品相关的信号的幅值；
-附图5b说明了通过减去初期成分和后期成分所获得的自相关函数的曲线；
-附图6a和6b说明了在多径信号的情况下自相关函数的曲线，其中在跟踪阶段与初期复制品相关的信号的幅值等于与后期复制品相关的信号的幅值，但是相对于没有多路的信号而言有一个相位偏移；
-附图6c说明了在多径信号的情况下通过减去初期成分和后期成分所获得的相关函数的曲线；
-附图7说明了用来启动接收机的方法的各个步骤的流程图，不论多径信号是否被检测到。
具体实施方式
在下面的描述中，射频信号接收机特别是GPS型接收机的一些部件仅仅以简化的方式提到，这些部件对于本领域技术人员来说是众所周知的。在此描述的接收机最好是GPS接收机。然而它可以在GLONASS或GALILEO导航系统或者任何其它导航系统中使用，或者在移动电话网络中使用。
如附图1所示，由GPS接收机的天线2所接收的射频信号SV1至SV4由四个可视卫星S1至S4来发送。这四个卫星的信号SV1至SV4对上述GPS接收机1来说是必须的，以便能提取用来计算其位置、速度和/或与时间相关的数据的所有信息。然而，在它们的路径上，某些射频信号SV1′和SV3′可能被各种诸如建筑物B的障碍物反射。这些偏离的信号SV1′和SV3′可能对接收机所接收的直接信号SV1和SV3的检测造成破坏。这样在搜索和跟踪卫星S1和S3的相位中的相关信道受了多径信号的效应，这就导致了定位计算的偏差。正如将要在下面描述中所介绍的那样，至少一个定义为未用的信道与跟踪卫星S1和S3的每个工作信道并联放置以便校正多径信号的效应。
GPS接收机优选地适合于诸如手表之类的便携式物体，以便提供佩戴手表的人所需要的位置、速度和当地时间数据。由于手表具有小尺寸的蓄电池或者电池，所以在GPS接收机工作期间功率消耗必须尽可能小。
当然，GPS接收机也适用于其它诸如便携式电话的小尺寸便携式物体，它们配备有小尺寸的蓄电池或者电池。
GPS接收机1在附图2中作了示意性的说明。它包含接收和整形装置，带有由天线2提供的射频信号3的频率变换用来产生中间信号IF，由12个信道7′组成的用来接收中间信号IF的相关级7，将每个信道与各自的缓冲寄存器11相连的数据传输总线10，以及最后将每个缓冲寄存器与微处理器装置12相连的数据总线13。
中间信号IF最好是复数形式，由同相信号I的一部分和两相信号Q的一部分以大约400kHz的频率由整形装置3提供。复数中间信号IF在附图2中通过与斜线相垂直的粗线来表征，它定义了2个比特。
在接收机1中可用的信道7′的数目比地球上任意位置上可见的卫星的最大数目还要多，以便维持一定数目的未用信道。当微处理器检测到多径信号在正常工作的信道中出现时，这些未用的信道的目的在于和工作的信道并联。多径信号的影响，以及未用信道的连接将特别参照附图3至6在此后进行介绍。
通常，在接收装置3中，第一电子电路4′首先将频率为1.57542GHz的射频信号转换为例如179MHz的频率。然后第二电子电路IF 4″进行双变频，把GPS信号首先转换成频率为4.76MHz然后在最后通过在4.36MHz取样来转换成例如400kHz的频率。将在大约为400kHz频率处取样和量化的中间复数信号IF提供给相关级7的信道7′。
对于频率变换操作，时钟信号发生器5构成了射频信号接收和整形装置3的一部分。这种发生器带有比如未示出的石英振荡器，以大约17.6MHz的频率定标。两个时钟信号CLK和CLK16特别地提供给相关级7和微处理器装置12用来对这些部件的所有操作来计时。第一个时钟频率CLK具有4.36MHz的数值，而第二个时钟频率设定在它的1/16，即272.5kHz，它在相关级大部分中采用以便节省能量消耗。
需要指出的是可以设想通过在相关级中放置一个除法器而不是在接收装置3中将其与时钟信号发生器5集成在一起来获得时钟信号CLK16。
在这些例子中由第二电路4″产生的信号给出了不同极性的信号(+1或-1)。必须考虑该极性用于接收机中GPS信号的解调操作。在可替代的实施例中，第二电路4″对于同相部件以及两相部件能够产生分布在两个输出比特上的信号(+3；+1；-1；-3)。
在本发明GPS接收机的例子中，带有1位量化载波频率的中间信号IF提供给相关级，即使这种量化产生大约3dB的信号噪声比(SNR)附加损失。
每个信道的寄存器11能接收来自微处理器装置的配置数据或者参数。每个信道能通过寄存器发送数据，该数据涉及GPS消息，PRN代码的状态，与多普勒效应相关的频率增量，伪距，带有相位偏移的相关幅度数值以及相关和跟踪特定的卫星后的其它数据。
缓冲寄存器11由几种寄存器组成，例如命令寄存器和状态寄存器，各信道的NCO(数控振荡器)寄存器，伪距寄存器，能量寄存器，载波和代码的偏移量寄存器和增量寄存器，以及测试寄存器。值得注意的是在相关阶段这些寄存器可以累加数据以便在卫星获取和跟踪期间使用而不必自动地传送给微处理器。
在可替代实施例中，给定放置在寄存器单元中的某些数据对每个信道都是公共的，则单块寄存器11可以被设想用于相关级所有的信道7′。
相关级7的每一个信道7′包含相关器8和通过专用部件被设定工作的控制器9，特别地是用来获取卫星信号和跟踪信道所检测到的卫星的信号处理算法。
每个信道的控制器9特别包括存储单元，算术单元，数据比特同步单元，相关器控制单元和中断单元，它们在附图中不可见。存储单元特别地由用来存储瞬时数据的RAM存储器构成。RAM存储器以规则或者非规则的结构分布。算术单元特别进行加减乘除以及移位运算。
这样在正常的工作中，对于所检测到的卫星所有的获取和跟踪操作在相关级每个信道中自主地实现。这些任务以位并行结构来执行，其中多个比特的计算在一个时钟脉冲中实现。数字信号是1kHz，这就允许在不太大的频率速率下自主地处理上述载波频率信号和控制回路PRN代码。当信道已经跟踪一颗卫星时，电路将用来在接着的计算中使用的GPS数据流进行同步。
这样，在所有相关步骤期间与微处理器装置12的数据传输不再发生。只是相关级每个信道7′的相关结果，特别是50Hz频率的GPS消息传送给微处理器。这就导致了电流消耗的大大降低。然而，当微处理器装置必须将一个未用的信道与正常工作的信道并行相连以校正多径信号效应时，所述未用信道的同步操作是通过所述微处理器装置执行的。但是通过微处理器装置，工作信道的一些参数可以迅速地传送以配置未用信道，而不会对上述接收机的功率消耗带来任何的害处。
因此，微处理器装置12最好包括一个瑞士EM Microelectronic-Marin提供的8位CoolRISC816微处理器。这种微处理器由4.36MHz的时钟信号来计时。微处理器装置12也包括未示出的存储装置，关于上述卫星的位置、其金色码的信息以及那些能被陆地上的GPS接收机所接收的信息存储在其中。
在所有卫星搜索和跟踪程序中，工作信道7′向微处理器发送中断信号INT1和INT2用来告诉微处理器它可以提取的数据。一接收到中断信号，微处理器就通常必须遍览所有的信道以发现可以提取的数据来自哪个信道。例如，这些数据与配置参数、GPS消息、PRN码的状态、由于多普勒效应的频率增量、伪距、用于中断接收装置的模式、积分计数器的状态以及其它信息等相关。
由于同时可以产生几个中断信号INT 1到INT 12，所以微处理器装置12也包括用于操作信道7′的优先解码器。这样微处理器可以根据确定的优先顺序来直接访问发送中断信号的优先信道。
在另一个未示出的实施例中，优先解码器也可以在相关级中集成。
单半导体基片可以包含带有寄存器、优先解码器、微处理器的整个相关级，还可能包含时钟信号发生器的一部分。
当接收机1设定在工作中，相关级7的几个信道7′由微处理器装置12来配置。每个信道的结构还在于在其中引入与载波频率相关的不同参数以及要搜索和跟踪的特定卫星的PRN代码。在正常的工作模式下，每个信道的配置是不同的以便搜索和跟踪它们各自的卫星。由于工作信道仅仅能跟踪可视卫星，就留下了一些未用的信道。
附图3介绍了一部分为PRN代码控制回路和另一部分为载波控制回路的相关器8。在相关级7的每个相关信道7′中相关器8是相同的，但是在每个信道中它们的配置是不同的。参照附图2中所述，在正常的工作中，每个信道执行所有同步任务以便独立于微处理器来搜索或跟踪特定的可视卫星。这样就简化了上述接收机的制造并因此允许减小其功率的消耗。
关于所述相关器各种部件的更多细节，读者可以参考“了解GPS原理和应用”一书第5章中的内容，特别是附图5.8和5.13。该书由Phillip Ward编写、由Elliott D.Kaplan(美国Artech House出版社，1996)编辑、出版号为ISBN 0-89006-793-7。
参照附图3，在图中定义了2个比特的斜线相交的粗线表征的中间信号IF是复数信号(I+iQ)，它由1位同相信号成分和1位两相信号成分Q组成。上述的中间信号IF已经被取样和量化，并首先通过了第一载波混频器20。混频器或乘法器21将信号IF与内部产生的载波复制品的余弦减去i倍其正弦相乘，以便从复数信号中提取同相信号I，而混频器或者乘法器22将信号IF与内部产生的载波复制品的负正弦减去i倍其余弦相乘，以便从复数信号中提取两相的信号Q。
这些Sin和Cos信号来自于复制信号的Cos/Sin表组成的方框45中。在第一混频器20中第一步的目的是从携带GPS消息的信号中提取载波频率。
在这一操作之后，必须在工作或者切换信道中寻找来自所要获取的卫星的信号的等效PRN代码，在这些信道中产生相应于需要的卫星的PRN代码。为了做到这一点，同相和两相信号经过第二混频器23将信号I和Q与PRN代码的初期复制品和后期复制品进行相关以获得四个相关的信号。在相关级的每个信道中，仅仅保持初期和后期复制品而不考虑准时的复制品。这就使得相关部件的数目达到最小。然而，通过从代码控制回路中去除准时成分，可以看到信噪比损失约为2.5dB。
混频器或者乘法器24从2位寄存器36中接收信号I和初期复制信号E并提供相关后的初期同相信号。混频器或者乘法器25从寄存器36中接收信号I和后期复制信号L并提供相关后的后期同相信号。混频器或者乘法器26接收两相的信号Q和初期信号E并提供相关的初期两相信号。最后混频器或者乘法器27接收信号Q和后期复制信号L，并提供后期两相信号。在本发明的实施例中，初期复制信号E和后期复制信号L的漂移或者偏移量是半个码片，这就意味着中央实时成分P的漂移量是1/4个码片。为了简单，可以比如用异或(XOR)逻辑门来制造乘法器。
四个相关信号各自进入由作为检波前元件的积分计数器28、29、30、31构成的积分装置中。在每个积分周期的最后，这些积分计数器提供在10个比特上表示的二进制的输出字IES，ILS，QES和QLS。这些二进制字定义了附图4a中特别说明的自相关函数的幅值。这些幅值通常标准化成相关信号的幅值。在卫星搜索模式下，关于初期相关信号和后期相关信号的一些幅值和相位偏移在存储装置中存储，以便供微处理器装置在初期和后期相关信号的自相关函数幅值点处计算斜率时使用。根据斜率的计算，微处理器装置能够检测到工作信道是否受到多径信号效应的影响。
对积分计数器进行了定义以便能够计数到1023，它等于PRN代码的码片数。在搜索的初始阶段对每个微处理器装置所选择信道的每个积分计数器28、29、30、31进行配置，以便每毫秒提供完整的一组二进制字IES，ILS，QES和QLS。
在紧跟这些积分器的回路中，所有操作在位并行结构中发生，信号频率为1kHz，为了消除要解调的有用信号中的部分噪声，在数字信号处理链的其它部分仅仅使用8个最高有效位。
在附图中由与定义8位的斜线相交的粗线表征的二进制输出字IES，ILS，QES和QLS进入代码回路鉴别器32和代码回路滤波器33中。代码回路鉴别器执行计算信号IES，ILS，QES和QLS能量的操作。在一定数目N的积分循环周期，比如16次循环，在鉴码器中实现数值的累加。
在本发明中，鉴别器是不相干的，并且为延迟锁相环类型(DLL)。在这种鉴别器中，在初期信号幅度的平方值和后期信号幅度的平方值之间进行减法。然而，如果初期信号幅值和后期信号幅值基本相等，则可以使用任何类型的鉴别器。读者可以参考A.J.Van Dierendonck所著、美国航空航天学院1996年出版的“全球定位系统和应用”一书中题为“GPS接收机”的第八章。
在这种鉴别器中，从载波回路中产生校正，因为在卫星传送信号期间，不仅能在载波频率上感受到多普勒效应，而且在载波频率上调制的PRN代码中也能感受到。将载波带入到代码回路鉴别器中相应于将载波偏移增量除以1540。
依靠鉴别器的滤波结果，通过PRN代码发生器35上的28位NCO振荡器强加一个相位增量，以便向寄存器36发送PRN代码位序列来产生新的相关。这种28位NCO的频率分辨率是16mHz(对于时钟频率为4.36MHz来说)。
控制器处理回路的各种结果以便它可以调整获取和跟踪操作。一旦存在同步并且跟踪需要的卫星，数值IES和ILS就引入到解调单元50中，它能够通过数据输入输出寄存器向微处理器装置提供每位50Hz的数据消息。除了这一消息，微处理器装置还能获得尤其是那些在缓冲寄存器中引入的关于伪距的信息，以便计算X、Y、Z位置，速度和准确的当地时间。
任何一个上文中介绍的部件都不将进行详细的描述，因为它们是本领域技术人员的常规知识的一部分。
在加法器37中用信号IES和ILS的总和来产生信号IPS，在加法器38中用信号QES和QLS的总和来产生信号QPS，信号IPS和QPS都由8个比特来表征。这些二进制字以1kHz的频率引入载波回路鉴别器42(包络检波)中来计算载波回路滤波器43所跟随的信号的能量。鉴别器特别地由8位乘法器和20位累加器构成。它是频率和锁相环型的。
在鉴频器中进行平均值操作以便增加载波跟踪回路的可靠性和准确性。在鉴别器中提供的累加持续N次循环比如16次循环，它相应于16ms。微处理器装置也强加信号STC给鉴别器42中用于与所选信道并联的未用信道。
根据鉴别器的结果并且在通过滤波器之后，载波44的24位NCO振荡器接收频率增量(bin)用来校正载波频率复制品。这种24位NCO具有大约260mHz的频率分辨率。
在跟踪期间，代码和载波的两种控制或者征服的方法是同步的，虽然载波跟踪回路只能在确定卫星信号出现后更新。
需要了解的是在卫星发送射频信号期间，多普勒效应对上述信号的载波频率和PRN代码都有影响，这就意味着代码和载波控制回路要彼此相连以便在接收机中获得更好的PRN代码相位和载波频率校正精度。
在搜索阶段每个相关时期，PRN代码复制品的相位在时间上是延迟的，比如延迟以一个码片的间距，以便找到卫星相位偏移。一旦在跟踪阶段找到卫星，代码调整按照0.05至0.1码片的间距发生。此外，包含多普勒效应的载波频率必须被校正，它发生在载波控制回路中。除了多普勒效应，还必须考虑内部振荡器的欠缺准确性以及电离层效应。这些在代码和载波回路中校正的偏差相应于±7.5kHz的频率偏移。
当没有检测到多径信号时，在每个工作信道中同步地执行同步任务。如果微处理器装置在第一工作信道中检测到多径信号的效应，第二未用信道与第一信道并联以便找到自相关函数的最大幅值。在这种情况下，上述信道的代码和载波控制回路不能再使用，因为使用第二未用信道在跟踪模式下不再需要获得初期和后期信号的自相关函数的等效幅值。
未用的信道必须和微处理器装置连成回路用作初期或后期复制品之一的相位偏移操作，以便找到第一信道的两个幅值之间的自相关函数的最大幅值。为了做到这一点，两个中断部件45和47放置在所有信道的每个控制回路中。当微处理器装置在第一信道中检测到多径信号的存在时，第二未用信道从上述装置接收Sc指令以便中断两个控制回路。
附图4a和4b一方面说明了自相关函数，另一方面说明了与上述代码的复制品相关的特定的代码中间信号。
附图4a中的自相关函数说明了两个相同的矩形脉冲信号的相关结果，但是彼此存在相位偏移。上述相关的逻辑信号一方面是伪随机代码的中间信号，另一方面是在上述接收机信道中产生的伪随机代码的复制品。自相关函数的通用公式如下：
R(t)＝∫f(τ)f(t+τ)dτ其中当τ的绝对值小于或等于TC/2时，f(τ)等于要相关的矩形信号的幅值A，否则为0。因为伪随机代码频率是1023MHz，所以TC代表相应于977.5ns的一个码片。由于信号是矩形信号，所以这个函数R(t)可以只通过下面的公式来定义：
R(t)＝A2Tc(1-|t|/Tc    |t|≤Tc
R(t)＝0                 其它
当没有多径信号效应的干扰时，自相关函数的形状是三角形的，在函数顶点或最高点的每侧斜率的绝对值是相等的。信号幅值A的数值为1，它意味着当要相关的信号严格地同相时，被定义为标准化的幅值在上述函数的顶点数值为1。
在附图4b中，相位偏移t＝0的复制品(0)与提取的信号(中间信号)严格地同相，它给出的最大幅值等于1。关于提取的信号的相位偏移t＝1/2个码片的复制品(1)，给出的幅值等于1/2。最后，关于提取的信号的相位偏移t＝1个码片的复制品(2)，给出的幅值等于0。
本发明的GPS接收机产生两个初期和后期伪随机信号的复制品，它们每个与中间信号相关。两个复制品之间的相位偏移是1/2个码片。附图5a说明了自相关函数，其中相关的初期和后期信号的幅值在可视卫星跟踪模式中表达。在跟踪模式中调整的初期幅值是从自相关函数的顶点偏移-1/4个码片，在跟踪模式中调整的后期幅值是从上述自相关函数的顶点偏移1/4个码片。
在正常的工作中，工作信道初期和后期信号的幅值在可视卫星跟踪模式中是相等的。这些幅值从来不会出现在自相关函数的最大值处。鉴码器在每个积分周期进行初期信号幅值和后期信号幅值的减法。通过减法，鉴码器能够提供更准确的代码校正增量。
当幅值相等时，在鉴别器中相减的结果产生的数值为0，它是进入跟踪模式所必须的。在附图5b中说明了在鉴别器中这些幅值偏差的相关函数。
值得注意的是在附图5a中所示的自相关函数并不是理想的三角形，因为在接收和整形装置中执行2MHz的带通滤波，它从功率谱中除去了一些凸角。这样自相关函数在顶部是一个圆形的部分而不是一个尖峰。
当射频信号在其路径中由于障碍物产生偏离时，接收机接收的信号是多径信号。这些信号加入到直接从被跟踪的发送卫星中产生的射频信号中。如果一个信道处在这种卫星的跟踪模式下，这些效应就会干扰接收机位置的计算。
附图6a介绍了接收机所接收的直接信号和多径信号的自相关函数。正如通常可以看到的那样，多径信号的自相关函数向直接信号的自相关函数的右边偏移。此外，多径信号自相关函数的最大幅值小于直接信号自相关函数的最大幅值。
在附图6a中，多路自相关函数是构造性的，即最大的幅值是正的。也可能对于多径信号来说产生最大幅值为负的自相关函数。在这种情况下，信号成为破坏性的多径信号。
附图6b介绍了当出现多径信号时，在接收机积分装置的输出端获得的所得到的自相关函数。这个所得的函数是附图6a中所示的两个自相关函数的叠加。
设定运行用来搜索和跟踪信号偏离轨道的卫星的信道，对于初期相关信号E1和后期相关信号L1来说具有相同的自相关函数幅值，但是相对于上述函数的顶点相位偏移了Δ。在构造性的多径信号的情况下，在跟踪模式中的两个相等的幅值大于没有受到多径信号影响的工作信道的幅值。由于自相关函数的顶点P1通常在两个初期和后期复制品之间等相位偏移的地方，所以多径信号产生了由偏移量Δ表示的相位偏差。
在附图6b中，这种偏移Δ近似为1/8个码片，它相应于由微处理器装置计算出位置的35m的偏差。
在附图6c中说明了在有多径信号影响的鉴码器中获得的初期和后期信号幅值减法E1-L1的自相关函数。
为了理解接收机如何校正多径信号的影响，参照附图7，其中介绍了启动接收机或者设定后者工作的方法的步骤流程图。值得注意的是微处理器装置正常情况下应该至少配置四个用来跟踪可视卫星的信道，以便计算接收机的位置。然而，为了简化起见，该方法的步骤中参照附图7仅仅描述了一个所选择的信道。
在步骤100中，由微处理器装置选择第一信道用来搜索和跟踪可视卫星。第一信道搜索可视卫星而同时在载波和代码控制回路中校正与中间信号相关的载波和代码复制品。
在搜索阶段，在步骤101中在积分装置的输出端进行初期和后期信号自相关函数的幅值检验。如果幅值不相等，则在步骤102中产生伪随机PRN代码的相位偏移。理论上，在搜索阶段代码复制品被偏移一个码片。
在上述卫星的所有搜索阶段，在积分装置的输出端存储幅值，以及相应的相位偏移。
第一信道的幅值E1和L1一旦相等，就在步骤103中由微处理器执行在E1点和L1点的斜率计算。在步骤104中比较计算得到的斜率。如果斜率PE1和PL1在绝对值上基本相等，则第一信道不受多径信号的影响。在步骤105中调整的该信道向微处理器装置提供准确的数据尤其用来计算X、Y、Z位置。
即使微处理器装置没有在第一信道中检测到多径信号的出现，但是当上述接收机移动时也可能出现多径信号。为了确保第一信道在跟踪模式中不受上述多径信号的影响，也进行初期和后期信号自相关函数幅值的检测。
只要在步骤106中没有看到幅值E1的变化，第一信道仍然向微处理器装置提供没有多径信号效应的准确信号。相反，如果在幅度E1中出现变化，则微处理器装置在步骤107中配置和切换第二未用信道，它被设定与第一信道并联工作。如果在步骤104中计算的第一信道的斜率的绝对值明显不同时，第二信道也进行切换。
第二信道通过微处理器装置使用存储的第一信道的参数进行配置。这就允许在步骤108中第二信道的代码复制品的同相引导，用来迅速搜索最大幅值E2。该最大的幅值E2在第一信道跟踪模式中位于两个幅值E1和L1之间。由于第二信道必须找到初期代码复制品或者后期代码复制品的最大幅值，所以第二信道的控制回路不能直接使用。因此，微处理器装置要负责征服第二信道使其通过线性回归方法或者牛顿—辛普森优化算法找到自相关函数的顶点。这样强加给第二信道的两个中断部件一个指令用来断开其控制回路。
只要幅值E2不是最大，就在步骤109中执行第二信道的代码复制品之一的代码相位偏移。在所有的最大幅值的这些搜索操作中，对位于两个幅值E1和L1之间的第二信道的幅值E2、以及相应的相位偏差进行存储。
当在步骤108中找到最大幅值E2时，就在步骤110中使用存储的幅值执行自相关函数顶点每侧斜率的计算。如果斜率P2AV和P2AP的绝对值明显不同，在步骤113中只是按最大幅值排列的第二信道向微处理器装置提供准确的数据，特别用作位置计算。对第二信道的幅值进行连续的检测。
如果斜率P2AV和P2AP在绝对值上几乎相同，这就意味着多径信号不存在。在这种情况下，第二信道在步骤112中停止。这样微处理器装置能够重新从第一信道获取数据，因为当第一信道切换的时候第二信道没有停止。
由于以上描述的接收机要应用在尺寸变小的便携式物体中，诸如手表或者移动电话中，因此当微处理器装置在上述工作信道中检测到多径信号的存在时，单独的未用信道最好与一个工作信道并联切换。正如上面介绍的那样，最初只需要选择至少四个信道，每个信道跟踪一个特定的可视卫星。
通常，第二信道仅仅在可视卫星跟踪的模式下通过第一信道来切换。然而，由于每个信道的参数和相位偏移存储在存储装置中，所以即使第一信道处于搜索模式，第二信道也可以与第一信道并联切换。微处理器装置知道工作信道是否能受到多径信号的影响。
根据以上给出的描述，在不偏离权利要求所确定的本发明范围的条件下，本领域技术人员可以设计出所述接收机特别是GPS型接收机的多种变形。

Claims (17)

1.由发送源特定编码所调制的射频信号的接收机，特别是GPS型的，上述接收机包含：
-带有射频信号频率变换的接收和整形装置(3)，用来产生中间信号(IF)；
-由几个相关信道(7′)构成用来接收中间信号的相关级(7)，每个信道带有相关器(8)，当信道使用时，在其中至少一个相关器的控制回路中将中间信号和要搜索和跟踪的可视发送源特定代码的至少两个初期和后期复制品进行相关，相关器包含积分装置(28、29、30、31)用来相关信号，在每个积分周期的最后，提供初期信号自相关函数的第一个幅值和后期信号自相关函数的第二个幅值，在发送源跟踪模式中第一个幅值和第二个幅值保持基本上相等；
-与相关级相连用来在相关后从射频信号中处理所提取数据的微处理器装置(12)，上述接收机的特征在于通过微处理器装置将至少一个第二未用信道与至少一个第一工作信道并联放置用来搜索和/或跟踪同一个可视的发送源，当微处理器在第一工作信道中检测到多路射频信号的存在时，微处理器装置控制第二信道用来产生与中间信号相关的特定代码的复制品，以便第二信道的积分装置提供第一信道自相关函数第一个和第二个幅值之间的自相关函数的最大幅值。
2.根据权利要求1的接收机，其特征在于在可视发送源的搜索和/或跟踪阶段，在存储装置中存储积分装置提供的至少关于第一工作信道的自相关函数的一些幅值以及相应的相位偏移，用来使微处理器装置计算在初期信号第一个幅值点处的自相关函数的第一个斜率和后期信号第二个幅值点处自相关函数的第二个斜率，当第一个和第二个幅值相等时，当在跟踪模式下第一个斜率和第二个斜率显著不同时，上述微处理器装置在第一工作信道中检测到多路射频信号的存在。
3.根据权利要求1的接收机，其特征在于在可视发送源跟踪模式下当微处理器装置(12)检测到初期和/或后期相关信号的自相关函数的幅度变化时，与第一工作信道并联放置并配置第二未用的信道。
4.根据权利要求1中用来接收卫星发射的射频信号的接收机，其特征在于相关级(7)包括比可视卫星数目更多的相关信道(7′)，以便至少有一个与第一工作信道并联的第二未用信道可以切换用来搜索和/或跟踪同一个可视的发送源。
5.根据权利要求4的接收机，其特征在于信道(7′)的数目大于或等于12。
6.根据权利要求1、4和5的任何一个的接收机，其特征在于当微处理器装置在第一信道的每一个中检测到多径信号的出现时，配置几个第二未用信道被切换，其中每个都与第一工作信道之一并联。
7.根据权利要求1中用来接收卫星发射的射频信号的接收机，其特征在于在可视卫星搜索和/或跟踪阶段，每个第一工作信道积分装置的积分周期相当于发送卫星特定代码的重复周期。
8.根据权利要求1的接收机，其特征在于一组输入输出寄存器(11)放置在相关级(7)和微处理装置(12)之间作为接口，以便接收微处理器向相关级发送的数据和相关级提供给微处理器的数据。
9.根据权利要求2的接收机，其特征在于每个信道包含用来存储自相关函数幅值和相应的相位偏移的存储装置。
10.根据权利要求2的接收机，其特征在于存储器装置构成了微处理器装置(12)的一部分。
11.根据权利要求1的接收机，其特征在于当信道(7′)在正常情况下设定为工作时，在每个信道中包含数字信号处理算法的控制器(9)与相关器(8)相关，以允许搜索和跟踪卫星的所有同步任务能独立于微处理器装置(12)而自主地执行。
12.根据上述任何一个权利要求的用来接收带有由卫星发送的载波频率的射频信号的接收机，其特征在于每个信道接收由同相成分(I)和两相信号成分(Q)组成的复数中间信号，还在于信道的每个相关器包括：
-第一混频器(20)，用于将同相信号成分和第一载波频率复制品进行相关，以及将两相信号成分和与第一载波频率复制品相比偏移90°的第二载波频率复制品进行相关；
-第二混频器(23)，用于将第一混频器的输出同相信号和第一初期特定代码复制品以及第二后期特定信号复制品进行相关，以及将第一混频器的两相输出信号和第一初期复制品和第二后期复制品进行相关；
并且其特征还在于每个工作信道的积分装置的四个积分计数器(28、29、30、31)从第二混频器中接收相关的输出信号以提供自相关函数的四个幅值(IES，LLS，QES和QLS)。
13.根据权利要求1和12任何一个的接收机，其特征在于初期信号相对于后期信号来说具有半个码片的相位偏移。
14.根据权利要求12的接收机，其特征在于在积分计数器之后，在代码控制回路中信道(7′)的每个相关器(8)包括代码回路鉴别器(32)，鉴码器执行初期和后期信号自相关函数每个幅值的减法，以便在积分周期的N倍的鉴别器周期中向代码复制品提供一个代码校正增量，其中N是一个整数；代码回路滤波器(33)，第一数控振荡器，与一个2位寄存器相连向第二乘法级(23)传送发送源特定代码的初期和后期复制品的代码发生器，并且在载波控制回路中，包含载波回路鉴别器(42)，载波回路滤波器(43)，第二数控振荡器(44)，和用来向第一乘法级(20)提供载波频率第一和第二复制品的部件(45)，放置在每个控制回路中由微处理器装置(12)控制的回路中断部件(46，27)以便当中断指令强加给第二信道的上述部件时控制与第一工作信道并联放置的第二未用信道。
15.用于在接收机中为由发送源特定代码调制的射频信号校正多径信号效应的方法，上述接收机包括：
-带有射频信号频率变换的接收和整形装置(3)，用来产生中间信号(IF)；
-由几个相关信道(7′)构成用来接收中间信号的相关级(7)，每个信道带有相关器(8)，当信道使用时，在其中至少一个相关器的控制回路中将中间信号和要搜索和跟踪的可视发送源特定代码的至少两个初期和后期复制品进行相关，相关器包含积分装置(28、29、30、31)用来相关信号，在每个积分阶段的最后，提供初期信号的第一个幅度相关值和后期信号的第二个幅度相关值；
-与相关级相连用来在相关后从射频信号中处理所提取数据的微处理器装置(12)，所述方法包括第一组步骤：
-配置和切换一定数目的第一信道以便每个信道搜索和跟踪特定的发送源；
-将每个与中间信号相关的工作信道特定代码的初期和后期复制品进行相位偏移，直到自相关函数的第一个和第二个幅值相等时为止；
-在搜索和/或跟踪阶段存储初期信号和后期信号的相关幅值以及相应的相位偏移，上述方法的特征在于它还包含了第二组步骤：
-对于每一个第一工作信道，在搜索和/或跟踪阶段使用存储的自相关函数幅值和相应相位偏移，当信道处于发送源跟踪模式时，来计算初期信号第一个幅值点处的自相关函数的第一个斜率和在后期信号的第二个幅值点处的自相关函数的第二个斜率；
-如果计算的两个斜率在绝对值上有明显的不同，或者在跟踪模式中初期信号的第一个幅值或者后期信号的第二幅值中发现变化的话，则配置和切换至少一个与第一工作信道并联放置的第二未用信道；
-在微处理器装置指令下对第二信道的码复制品之一进行相位偏移，直到第二信道的积分装置提供了第一信道自相关函数第一、第二幅值之间的自相关函数的最大幅值，以便微处理器装置能够从这个第二信道的射频信号中提取数据同时校正多径信号的效应。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于存储第二信道的自相关函数的幅值以及相应的相位偏移，直到由第二信道的积分装置提供了最大的幅值。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于微处理器装置在第二信道最大幅值前后计算自相关函数的幅值变化斜率，其特征还在于如果斜率的绝对值几乎相等，则第二信道停止，微处理器装置能够从第一信道的射频信号中提取数据。
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