CN1443345A - 用于个人安全系统的便携式全球定位系统接收机 - Google Patents

Abstract

根据本发明，一种用于个人安全系统的便携式GPS接收机，其特征在于较小的尺寸、重量和功耗。该接收机包括：输入模块(1)；包含具有N个信道(14)的多通道数字相关器(13)、微处理器(15)、用于存储信号处理程序的ROM存储器(16)、用于存储在设备工作在标准模式期间的数据的RAM存储器(17)的输出模块(5)；数据输入/输出模块(10)；无线电收发器模块(11)；基站(12)；以及在GPS信号阻塞期间起作用的ROM存储器(18)和RAM存储器(19)。作为模块(15)的同相和正交相关器保证GPS信号与C/A码的K个拷贝能够同步相关，将GPS的符号的一半移位，并且在等于C/A码出现的时间周期内，将相关的结果连续累加。

Description

用于个人安全系统的便携式全球定位系统接收机

技术领域

本发明涉及无线电导航领域，更具体地说，涉及个人安全技术系统，该系统能够根据卫星无线电导航系统的“GPS(全球定位系统)”信号进行定位并且将位置消息以及有关紧急情况的消息传递给监控基站。

现有工程技术

这里所说的个人安全系统是在监控(跟踪)或控制中使用的跟踪目标的系统方案。这个分支(涉及观察人的位置的分支)的发展被GPS信号接收机的开发前景所证明，即，使GPS接收机具有如此整体尺寸、重量和功率消耗以致能够做成具有个人移动无线通信装置的便携式GPS接收机的结构。因此，最重要的任务之一是最大限度地减小整体尺寸、降低功耗以及简化接收机根据GPS信号进行定位。

跟踪目标(例如运输工具)的系统(见[1]在德国的申请(DE)3501035，国际分类号G08 G 1/00，1986年7月17日公开；[2]在EPO的申请(EP)0379198，国际分类号G01 S 5/02，G01 S 5/14，1990年7月25日公开；[3]在EPO的申请(EP)0509775，国际分类号G01 S 5/14，1992年4月15日公开；[4]美国专利(US)5319374，国际分类号G01 S 1/24，G01 S 5/02，G01 S 3/02，G04C11/02，1994年6月7日公开)是公知的，其中被跟踪的目标(运输工具)配备有根据GPS信号定位的单元以及用于与中心站进行无线电通信的设备，该系统对运输工具的位置进行监控。

根据GPS信号跟踪运输工具并且在极端的情况下向跟踪站传送关于位置的数据的系统是公知的(例如，见[5]在德国的申请(DE)3839959，国际分类号G08 B 25/00，G08 G 1/123，B60 Q 9/00，H04 Q 7/00，1990年4月12日公开；[6]美国专利(US)5355140，国际分类号G01 S 1/08，G01 S 5/02，1994年10月11日公开；以及[7]PCT申请(WO)93/16452，国际分类号G08G1/123，1993年8月19日公开)。

在所说的用于定位的运输工具跟踪和调度系统[1-7]中，使用了配有能保证将位置数据和报警信号在无线电信道上传送给跟踪站的附加单元的标准GPS信号接收机。通常，在这样的系统中，GPS信号接收机并不必须严格要求设备最小化和节省功率，并且在接收GPS信号局部阻塞的情况下，定位任务由例如具有惯性系统要素的集合完成。

与运输工具的情况相反，在个人安全系统中，对于用于定位的GPS信号接收机，可以提出一些附加需求。一方面，将GPS信号接收机放置在无线电话机身内部的必要性被证明是合理的(例如，见[8]在EPO的申请(EP)0528090，国际分类号G01 S 5/00，1993年2月24日公开)。这就提出了最大限度地减小GPS信号接收装置和其功耗的必要性。另一方面，在GPS信号局部互锁的情况下，例如运行在“树叶底下”的条件下，从而仅能利用自空中接收到的无线电信号时，可能提出提供定位的要求。

具有通信信道用于传递极端情况消息的GPS信号接收机(见[9]PCT申请(WO)97/14057，国际分类号G01 S 5/14，G01 S 1/04，1997年4月17日公开)是公知的，其中有在GPS信号局部互锁的条件下确保能够根据GPS信号进行定位的附加装置。选择在[9]中所描述的接收机作为原型机。选为原型机的接收机的一般原理图如图1所示。

见图1，原型接收机包含普通的GPS信号接收机的输入单元1，输入单元1包括：顺序连接的射频信号变换器2，其输入也是单元1的输入；用于信号模数转换的单元3，其输出也是单元1的输出；用于信号时钟和外差频率控制的形成器4，其参考输入对应于单元1的控制和参考输入，这样，射频变换器2的外差输入和单元3的时钟输入对应地连接到形成器4的外差和时钟输出上。形成器4配备有用于形成时钟和外差频率信号的装置，例如，频率合成器，它的预先设置的输入形成了形成器4的控制输入。频率合成器的工作来自参考发生器，参考发生器包含在形成器4的结构中。在接收机中，在参考发生器的频率由提供的外部高稳定信号调谐的情况下，参考发生器配备有相应的调谐单元，例如PAAF单元，其参考输入形成了形成器4的同步输入(参考输入)。

原型接收机还包含普通GPS信号接收机的输出单元5，单元5的信号输入通过开关6连接到单元3的输出，单元5的时钟输入连接到形成器4的时钟输出。

开关6的第二输出顺序地连接到用于储存由单元3形成的信号值样本的联合存储器单元7和信号处理器8。存储器单元7的时钟输入连接到形成器4的时钟输出。

形成器4的控制输入、开关6的控制输入以及信号处理器8和单元5的数据输入-输出由相应的数据总线连接到判定生成单元9，在判定生成单元9中构成了用于数据处理的微处理器、控制器以及用于储存程序和输入数据的存储器单元。

判定生成单元9连接到数据输入-输出单元10和无线电收发器单元11，无线电收发器单元11通过链接接收机和基站12的通信信道接收信令和数据。在这种情况下，当在形成器4中使用外部信号调谐参考发生器(同步)时，无线电收发器单元11参考信号(同步信号)的输出连接到形成器4的相应输入(在图1上，该连接由点线示出)。

数据输入-输出单元10可以由例如合适的控制器、键盘或显示器来实现并且单元10配备有接口连接器。

无线电收发器单元11可以由调制解调器实现，并且无线电收发器保持与基站12的无线电通信。

基站12配备有用于对接收机的报警和定位信息进行信号接收的装置，还有用于自身形成宇宙飞行器数据、关于接收机位置的大致坐标信息和多普勒频移数据的装置，以及用于通过无线电信道向单元11传送这些数据的装置。此外，基站12可以配备有实现传送用于所述的接收机参考发生器频率调谐的参考信号的装置。

原型接收机的工作情况如下。来自接收天线输出端的GPS信号到达输入单元1中的射频变换器2的输入，在此处进行降频的信号调理。因此，使用了包含在变换器2的结构中的、处理来自形成器4相应输出端的外差信号(Fr)的混频器。

形成器4合成时钟信号(Ft)和外差频率(Fr)，为此目的，使用了由参考发生器形成的参考频率信号，参考发生器位于形成器4的结构中。通过将单元9形成的相应调节码适用于合成器的控制输入端，使合成器形成的预先设置值的频率有效。

从射频变换器2输出的信号到达信号模数转换单元3的输入端，此处，它们将被转换为数字类型。在模数转换时，时间采样率由来自形成器4的时钟输出的步调信号(Ft)确定。单元3的输出信号形成了输入单元1的输出信号。

从输入单元1输出的信号到达开关6的输入，开关6在单元9形成的控制信号的影响下进行工作。

在通常的模式中，即，在没有GPS信号互锁的情况下，开关6连接单元1与单元5，此时单元5对接收到的GPS信号进行常规的相关处理，包括频率和延迟信号搜索、代码跟踪、跟踪信号频率和相位测定、有关宇宙飞行器服务信息的提取和解码、导航信息的提取(确定无线电导航参数-RNP)。具体来说，这样实现了在单元5中，位置计算时使用的确定可见卫星噪声信号相关函数的峰值暂时位置。在单元5中进行的相关处理用由来自形成器4的时钟输出的步调信号(Ft)确定的时钟速率实现。

定位信息通过判定单元9控制器到达负责数据输入-输出的单元10，在单元10中，数据例如被显示在显示器上。

定位信息还到达无线电收发器单元11，在与基站进行通信对话的过程中，无线电收发器单元11向基站12传送定位信息，并且在极端情况下传送关于极端情况的消息--报警消息，这些由单元10和单元11的控制器形成。

在基站12形成宇宙飞行器数据、关于接收机位置的大致坐标信息以及多普勒频移数据，这些数据和信息通过通信信道以通信对话的形式传送到无线电收发器单元11。在接收情况处在较差信号噪声比的不利条件下(即，在GPS信号互锁的条件下)，在接收机运行中使用这些数据。

在上述接收不利的条件下(在GPS信号互锁的条件下)，开关6将单元1的输出连接到存储器单元7的输入，从而存储由单元3形成的信号值样本。

开关6的开关动作将通过由单元9形成的信号来实现，例如，由于在单元5中没有成功搜索信号的结果或是来自单元10的关于操作员的信号。

每隔大约1秒钟，单元7将单元3形成的所有信号值样本即(2～4)×10⁶个样本进行预存储。被存储的信号值样本以由步调信号(Ft)确定的时钟速率，即以(2～4)MHz的频率到达单元7，步调信号来自形成器4的时钟输出。

来自存储器单元7的样本多次被信号处理器8使用，利用纯软件装置，信号处理器8对接收到的GPS信号进行相关处理并且为每个卫星的信号确定相关函数最大值的暂时位置，即它的伪距(pseudo-range)。被测量到的伪距到达单元9的处理器，在单元9进行定位。因此，为了在所述不利的接收条件下实现相关处理和定位，使用了由单元9在通信信道上获得的来自基站12的宇宙飞行器数据、关于位置的大致信息(±150公里之内)以及卫星载波频率的多普勒频移。除了借助于由基站12传送的时钟信号以外，还要测量形成器4的参考发生器的频率调谐(上文中说过由哪些实现)或参考发生器相对于额定值的频率漂移。

在单元9中确定的定位信息到达用于显示的单元10以及单元11，在单元11中，定位信息被发生送到基站12，从而对接收机进行跟踪。如果需要，与定位信息一起，由单元10形成的的极端情况消息--报警信号借助于单元11通过通信信道传送到基站12。

这样的原型接收机既能够在正常接收GPS信号的条件下，也能够在它们互锁的条件下根据定位信息进行定位和报警，这些决定了原型接收机可以使用在个人安全系统中。

与普通GPS信号接收机相比，实现原型接收机的所述功能实质上是以其复杂程度为代价的。因此，除了在通常的GPS信号接收机使用的一般单元1和5以外，在原型接收机中，使用了基于快速反应的微型计算机实现的判定生成单元9和信号处理单元8，以及基于高容量的快速反应的RAM实现的用于样本存储的存储器单元7，这通常具有高功耗和高成本的特点。所有这些加大了接收机的总体尺寸、重量、功耗和成本。

本发明的公开

在本公开的发明中所解决的问题是，开发用于个人安全系统的GPS信号接收机，与原型机相比不同之处在于，本发明的用于个人安全系统的GPS信号接收机容易实现，并且具有较低的功耗、较小的总体尺寸和重量以及较低的成本，同时，实现原型接收机的所有功能以及在接收GPS信号不利的条件下进行定位的相同特性。

构成本发明的基本内容为，在用于个人安全系统的GPS信号接收机中包括普通GPS信号接收机的顺序连接的输入和输出单元、数据的输入-输出单元、用于在通信信道上接收和发出信令和数据从而链接接收机和基站的无线电收发器单元，无线电收发器单元的参考信号输出连接到输入单元的参考输入，输出单元的时钟输入连接到输入单元的时钟输出，输入单元包括顺序连接的射频变换器、信号模数转换单元以及信号时钟和外差频率形成器，其中，信号射频变换器的信号输入为输入单元的信号输入，模数转换单元的输出为输入单元的信号输出，信号时钟和外差频率形成器的参考输入为输入单元的参考输入，信号时钟和外差频率形成器的外差输出连接到射频信号变换器的外差输入，信号时钟和外差频率形成器的时钟输出为输入单元的时钟输出，连接到信号模数转换单元的时钟输入，在没有GPS信号互锁的标准运行模式下，作为通常GPS信号接收机的输出单元而使用的单元包含多信道数字相关器，其中有N＝8～12个并行处理的信道与微处理器链接，微处理器配备有用于信号处理程序的永久性存储器和用于储存数据的可操作存储器，并且，输出单元的微处理器由数据交换总线连接到输入单元的信号时钟和外差频率形成器、数据输入输出单元、无线电收发器单元以及附加单元，附加单元用于信号处理程序的永久性存储以及在GPS信号互锁的条件下对多信道数字相关器运行样本和数据存储的可操作存储，多信道数字相关器的N个信道的每个信道配备有K个同相和K个正交相关器，其中K＝20～40，这些相关器与相应的存储单元连接，以保证GPS信号与C/A码的K个拷贝能够同时相关，将GPS的C/A码的数字的一半移位，并且保证能在等于C/A码出现的时间内，将相关的结果连续累加。

在这种特殊情况下，接收机以这样的方式进行设计，多信道数字相关器的每个信道包含数字控制载波频率发生器、控制寄存器、数字控制码发生器、GPS码参考C/A发生器、可编程延迟线、对应同相和正交处理信道的第一和第二数字混频器、K个同相和正交相关器的第一和第二组，多信道数字相关器的每个信道的第一输入连接到相应数字混频器的输出、第二输入连接到可编程延迟线的相应输出、输出连接到相应存储单元的信号输入，数据交换单元连接存储器单元的输出、数字控制载波频率发生器的控制输入、控制寄存器的控制输入、数字控制码发生器的控制输入、具有输出单元的微处理器的参考C/A码发生器的第一输入，并且，数字混频器相互链接的信号输入形成该信道的信号输入，数字控制载波频率发生器、数字控制码发生器、可编程延迟线和存储单元的时钟输入相互连接形成信道的时钟输入，第一和第二数字混频器的第二输入对应地连接到数字控制载波频率发生器的第一和第二输出，可编程延迟线的信号和控制输入对应地连接到GPS码的参考C/A发生器的输出和控制寄存器的第一输出，控制寄存器的第二输出连接到GPS码的参考C/A发生器的第二输入，GPS码的参考C/A发生器的第三输入连接到数字控制码发生器的输出，这样，在多信道数字相关器中，相互链接的信道的信号输入以及同样相互链接的信道的时钟输入对应地形成多信道数字相关器的信号和时钟输入。

附图说明

借助图1至6中示出的附图说明所述发明的实质及其工业可应用性。

图1示出了原型接收机的基本原理图；

图2示出了所述接收机的基本原理图；

图3示出了在研究中实现的多信道数字相关器的一个信道的结构图；

图4中可见，所述接收机运行于正常模式期间，即没有GPS信号互锁时，在所述接收机中所使用的信号处理的算法方框图；

图5示出了在所述接收机运行当中发生GPS信号互锁的条件下，在所述接收机中使用的信号处理的算法的方框图；

图6示出了在GPS信号互锁的条件下，在所述接收机开始工作时使用的信号处理的算法的方框图。

实现本发明的优选方式

所述接收机(见图2至3)包含普通GPS信号接收机的输入单元1，输入单元1包括顺序连接的：射频信号变换器2，其信号输入为单元1的信号输入；信号模数转换单元3，其输出为单元1的信号输出；以及时钟信号和外差频率形成器4，其参考输入为单元1的参考输入。而射频变换器2的外差输入和单元3的时钟输入连接到形成器4相应的外差和时钟输出。

形成器4配备有形成时钟信号和外差频率的装置，例如，频率合成器。频率合成器的工作来自包含在形成器4的结构中的参考发生器。在形成器4中使用的参考发生器配备有如PLL单元，借助于PLL单元将可以确定参考发生器相对于外部高稳定参考信号频率的频率漂移。这个频率漂移表示参考发生器频率相对于额定值的偏差。在具有所述PLL单元的情况下，参考发生器可以做的简单，不需补偿电路。PLL单元的参考输入形成形成器4的输入端，PLLF单元的输出和合成器的预先设置的输入形成形成器4的数据输入-输出，在PLLF单元中形成关于参考发生器相对于额定值的频率偏差的数据。或者，接收机参考发生器频率的PLLF单元(同步)实现与外部高稳定参考信号相符的良好调谐。在这种情况下，不形成形成器4中的有关参考发生器频率偏差的数据，并且在下面所研究的工作算法中，参考频率发生器相对于额定值的频率偏差取为零。

所述接收机还包含普通GPS信号接收机的输出单元5，单元5的信号和时钟输入连接到单元3的信号和时钟输出，单元5还与数据输入输出单元10和无线电收发器单元11相连接，无线电收发器单元11用于在链接接收机和基站12的通信信道上接收和发送信号以及数据，这样，无线电收发器单元11的参考信号输出连接到输入单元1的参考输入，即形成器4的参考输入。

数据输入-输出单元10由比如适当的控制器、键盘或显示器实现并且配备有接口连接器。

无线电收发器单元11由调制解调器实现，无线电收发器在无线电信道上进行接收机与基站12之间的通信。

基站12配备有接收接收机的有关极端情况消息(报警信号)和定位信息的装置，基站12还配备有用于自身形成宇宙飞行器数据、关于接收机位置的大致坐标信息及卫星GPS载波频率的多普勒频移的装置，和在无线电信道上以高稳定载波频率向单元11发送这些数据的装置。

作为用于接收在无线电信道上发送的所述信号和数据的装置，基站12可以配备，例如，蜂窝电话网络基站的相应无线电收发器装置。在如所述接收机的无线电收发器单元11的情况下，可以使用无线电话的相应无线电收发器单元，并且在结构上，接收机可以放置在这个无线电话机身里面。

在所述接收机当中，作为普通GPS信号接收机的输出单元5，包含多信道数字相关器13，多信道数字相关器13含有N个信道14(141、142被使用...14N)，其中，N＝8～12，用于N＝8～12个GPS卫星的并行信号处理。信道14的信号和时钟输入构成相关器13的信号和时钟输入。在单元5中，相关器13连接到微处理器15，微处理器15配备有永久性记忆存储器(ROM)16和可操作记忆存储器(RAM)17，永久性记忆存储器用于存储信号处理程序，可操作记忆存储器用于在接收机工作在标准模式即在没有GPS信号互锁情况下的数据储存。根据信号强度与噪音频谱集中的关系是否超过34～38dBHz的阈值，确定没有互锁。

输出单元5的微处理器15由数据交换总线连接到输入单元1的形成器4的数据输入输出端，微处理器15连接数据输入输出单元10、无线电收发器单元11、以及附加的选通ROM18和RAM19，ROM18用于储存信号处理程序，RAM19用于存储数据以及在GPS信号互锁的条件下工作时存储多信道数字相关器13的样本。在所研究的实现例子中，多信道数字相关器13的信道14中的每个信道包含(图3)数字控制载波频率发生器20、控制寄存器21、数字控制码发生器22、GPS参考C/A码发生器23、可编程延迟线24、对应相关处理同相和正交信道的第一和第二数字混频器25和26、第一和第二组的K个相关器即与相应存储单元29₁-29_K和30₁-30_K连接的同相27₁-27_K以及正交28₁-28_K。同时，数据交换单元31连接数字混频器的存储单元29₁-29_K和30₁-30_K的输出端、数字控制载波频率发生器20的控制输入、寄存器21的控制输入、数字控制码发生器22的控制输入以及微处理器15的参考C/A码发生器23的第一输入。其中，K＝20～40。

在信道14的每个信道中，数字混频器25和26的信号输入在它们自己之间连接并形成信道14的信号输入。在它们自己之间连接的信道14₁-14_N的信号输入形成相关器13的信号输入。

在信道14的每个信道中，数字控制载波频率发生器20、数字控制码发生器22、可编程延迟线24以及存储单元29₁-29_K和30₁-30_K的时钟输入在它们之间连接并且形成信道14的时钟输入。在它们自己之间连接的信道14₁-14_N的时钟输入形成相关器13的时钟输入。

混频器25和26的第二输入对应地连接数字控制载波频率发生器20的第一和第二输出。混频器25的输出连接到相关器27₁-27_K的第一输入。混频器26的输出连接到相关器28₁-28_K的第一输入。

相关器27₁-27_K和28₁-28_K的输出对应地连接到存储器单元29₁-29_K和30₁-30_K的信号输入。

相关器27₁-7_K和28₁-28_K的第二输入连接到可编程延迟线24的相应输出。可编程延迟线24的信号输入连接到GPS参考C/A码发生器23的输出。可编程延迟线24的控制输入连接到控制寄存器21的第一输出。控制寄存器21的第二输出连接到GPS参考C/A码发生器23的第二输入，GPS参考C/A码发生器23的第三输入连接到数字控制码发生器22的输出。

所述接收机的工作情况如下。

接收机应放置在与基站12有清晰的无线电通信的区域。具体来说，在下面考虑的所有的接收GPS信号定位的情况下，接收机应放置在距离基站12的最大半径限制在150公里之内。

独立于接收机，基站12形成宇宙飞行器数据、接收机位置(在±150公里以内)的大致坐标数据以及可见卫星GPS载波频率的多普勒频移的数据。这些数据以高稳定载波频率用定时通信对话的方式发送给接收机的单元11。

在基站12上产生的，通过通信信道被单元11接收的宇宙飞行器数据、大致坐标数据以及可见卫星GPS载波频率的多普勒频移数据在接收机运行于接收GPS信号条件不利(在互锁的条件下)的时候被使用。

传送所述数据的高稳定载波频率在接收机中被用作外部高稳定参考频率，与外部高稳定参考频率有关的是对形成器4的参考发生器频率相对额定值的偏差进行估算。借助于形成器4的相应PLL单元对形成器4的参考发生器频率相对额定值的偏差进行估算，估算的数据传送到微处理器15，在微处理器15中，该信息被存储在RAM19中。

另一种方案是，形成器4依照外部高稳定参考信号对接收机的参考发生器的频率进行精确调谐(同步)。在这种情况下，在形成器4中不形成也不向微处理器15传送有关参考发生器频率偏差的数据，并且在下面研究的工作算法中，参考发生器频率相对额定值的偏差取零。

根据接收GPS信号的条件，在所述接收机中用三种算法进行定位。

为实现所有三种算法，开始时，将在输入单元1中转换GPS信号。在转换期间，由天线接收到的GPS信号到达射频变换器2的输入，在此进行降频变换。这些使用了混频器，混频器包含在射频变换器2的结构中，混频器按照来自形成器4的相应输出的外差信号(Fr)工作。

在形成器4中，时钟信号(Ft)和外差(Fr)的频率借助于频率同步器的工作与参考信号同步，时钟信号和外差由包含在形成器4结构中的参考发生器形成。由同步器形成的频率的预先设置值按照来自微处理器15的相应调节码的控制进行。根据无线电收发器单元11与基站12的通信对话中得到的高稳定参考信号，对参考发生器的频率相对于额定值的偏差进行估算。参考发生器的频率相对于额定值的偏差的结果使得可以借助于简单的石英震荡器(没有温度补偿)实现所述接收机的全部功能，简单的例子为没有补偿芯片。

来自射频变换器2输出的信号到达用于信号模数转换的单元3的输入，在单元3，信号被转换为数字型。在单元3中进行模数转换的过程中，关于时间的采样速率由来自形成器4的相应输出的步调信号(Ft)决定。单元3的输出信号形成了输入单元1的输出信号。

来自输入单元1的输出信号到达单元5的输入，在单元5中，借助于多信道数字相关器13和ROM16、18和RAM17、19以及单元10和11相连接的微处理器15，根据接收到的GPS信号进行定位。

在所述接收机中，根据对来自多信道数字相关器13的信道14的每个正交相关器27₁-27_K和28₁-28_K输出的短时(毫秒)采样的累加处理进行定位。因此，在所述接收机中，相关处理仅由硬件装置完成，即，借助于数字相关器13。所述接收机在这点上区别于原型接收机，在原型接收机中，在接收不利的条件下，相关处理借助于软件完成，即，借助于信号处理器8(见图1)，在单元3中对GPS信号的模数转换的结果作为累加样本。

数字相关器13的信道14的工作情况如下。作为单元3中模数转换的结果，数字化GPS信号到达信道14的每个信道的数字混频器25和26的信号输入端。数字控制载波频率发生器20得出适合于所选的卫星GPS的载波频率相位的同相和正交分量，并确定哪个信号在指定信道中处理。在数字混频器25和26中，利用输入信号将发生器20形成的信号放大。

借助于数字混频器25和26，对指定的卫星GPS进行信号恢复，并且将该信号的频谱转换到基本频带(转换到零频率)。这样，在数字混频器25和26中，信号倍频的结果是将载波频率(被处理信号的同相和正交分量)“去除”。

数字控制载波频率发生器20由微处理器15通过数据交换单元31进行控制，用于闭合跟踪输入信号载波频率的频率和相位的环。这样，由数字控制载波频率发生器20形成的输出信号的频率与存储在ROM16中的数据相一致来建立。

在数字混频器25和26中“去除”了载波频率之后，信号的同相和正交分量在K个相关器组27₁-27_K和28₁-28_K中与相应的参考C/A码的拷贝相关，所述参考C/A码的拷贝在时间上按照彼此相对移动GPS码的数字C/A的一半。

在相关器27₁-27_K和28₁-28_K的处理中使用的参考码的C/A码的拷贝由可编程延迟线24、GPS码的参考C/A发生器23以及数字控制发生器形成。这样，借助于数字控制的码发生器22，生成一个步调C/A码(1023MHz)，它服从于GPS码的参考C/A发生器23的相应输入。码的时钟速率值的选择依据微处理器15的指令执行，微处理器15的指令通过数据交换单元31到达发生器22的控制输入。根据来自数字控制的码发生器22输出端的C/A码的步调，参考C/A码发生器23生成用于处理指定信道14中的相应卫星GPS信号的参考C/A码，它对于每个卫星GPS是唯一的。码的选择，即，一定的伪随机码序列(PRC)的选择依据微处理器15的指令执行，微处理器15的指令通过数据交换单元31到达发生器23的第一输入端，来自控制寄存器21的第二输出端的指令到达发生器23的第二输入端。由发生器23生成的参考C/A码到达可编程延迟线24，在可编程延迟线24中，在一定时间间隔内，根据由控制寄存器21形成的控制信号，进行参考C/A码的移位。根据通过数据交换单元31来自微处理器15的指令，由控制寄存器21形成的控制信号设置可编程延迟线24当时的算法。

在延迟线24的输出端形成的参考C/A码的拷贝到达相关器27₁-27_K和28₁-28_K的第二输入端。

在与码的出现时间相等的时间内(1毫秒)，在相关器27₁-27_K和28₁-28_K中进行的相关处理的结果被累加在相应的存储单元29₁-29_K和30₁-30_K中，被处理器15通过数据交换单元31读出并储存在RAM17中，用于闭合码跟踪和跟踪被处理的信号的载波频率的环。

根据在数字相关器13的每个信道14中进行的GPS相关信号处理的结果，借助于处理器15进行定位，然后，其数据进入单元10。

根据接收GPS信号的条件，单元5的微处理器15的工作按照所考虑的下述三个算法之一实现。

在没有互锁的正常接收GPS信号的条件下，使用第一算法(见图4)，即，信号的强度对噪音频谱集中的比率超过34～37dBHz。这是普通GPS接收机信噪比的标准阈值。在使用这种算法的时候，会涉及单元5的装置，即单元13-17。

第一种算法包含如下内容。开始时，确定可见卫星(单元32)，然后，进行GPS信号同步(单元33)。

同步包括：计算搜索频率和延迟的范围(单元34)，搜索可见卫星信号的频率和延迟(单元35)，在码和载波频率相位之后，由跟踪系统采集信号(单元36)，GPS信号的符号(symbolical)同步(单元37)，GPS信号的场同步(单元38)，接收可见卫星的历表(单元39)。

然后，跟踪GPS信号(单元40)。跟踪包括：安装第一可见卫星的数量(单元41)，进入跟踪码(单元42)，安装给出的可见卫星的信号的互锁属性(单元43)，跟踪码(单元44)，进入跟踪载波频率的相位(单元45)，进入跟踪频率(单元46)并频率锁定环(单元47)，跟踪载波频率的相位(单元48)，确定需要更新的历表(单元49)，接收历表(单元50)，测量伪范围和多普勒频移(单元51)，用所有可见卫星信号处理的结果(单元53)修改可见卫星的数量(单元52)，确定足够完成导航任务的非禁止使用的可见卫星的数量(单元54)，完成导航任务(单元55)，确定可见卫星变化的需要(单元56)，如果它们是，准备改变禁止使用的卫星(单元57)。

完成导航任务的结果，例如表明位置，提交到数据输入输出单元10。在需要的情况下(极端情况)，位置数据和报警信号借助于单元11在通信信道上被传送到基站12。

所给出的算法的典型特性如下所述。如果在安装在包括原型接收机的普通接收机的输出单元中的常用算法中，“被互锁”的信号是丢失跟踪码和载波频率相位的卫星信号，并且不考虑互锁以30分钟的间隔更新历表以及改变星座，那么，在所述接收机中，当借助于锁相环(PLL)对相位的跟踪丢失以后，另一个跟踪频率的系统-锁频环(FLL)-被激活，如果FLL系统跟踪丢失，对码的跟踪开始。如果对码的跟踪丢失了，则认为信号被互锁。因此，通过适当地选择FLL系统和码跟踪系统的参数，就有可能在跟踪载波频率相位失败的情况下继续监视目标。由于与相位跟踪相反，因而不能定期地(每30分钟一次)更新历表，但是，在1至2小时之内不进行历表更新，精度的降低不明显。实际上，所述接收机能够以7至15Hz的取中均方差(mid-square error)，借助于FLL系统保持对先前锁定的GPS信号的跟踪，并且以不超过20米的取中均方差对码进行跟踪。(即使码的前后拷贝之间的间隔宽度等于一个数字C/A码，直到0.5至1Hz的随动系统的单边波段的信/噪比为17至20dBHz)。这使得不用改变接收机的运行模式，依靠目前工作的星座继续进行定位。

所研究的算法与普通算法的其他差异在于，当出现互锁并且需要改变可见卫星时，只改变完全被禁止的卫星。

在极端情况下使用第二种算法，当接收机工作期间出现GPS信号互锁，用第一种算法不能完成导航任务时，则需要改变工作星座。要实现这种算法，除了单元5的装置以外，还要使用ROM18、RAM19、单元10和单元11，以及基站12的信息支持如新星座卫星的历表。在所述互锁的条件下(在低信噪比时)，提出这种信息支持的要求，由于接收机不能单独得到历表，因此，在这种条件下，PLL不能运行。第二种算法使用存在于接收机中在前面的工作中用第一种算法所获得的精确数据。因此，精确数据的必要结构包括：关于地点的数据(对应于信道14的每个信道中的正交相关器271-27K和281-28KK＝20或K＝40，有1.5或3公里的精度)，多普勒频移和形成器4的参考发生器的频移的估算(±10Hz的精度)，关于时间的数据(±1毫秒的精度)，通过来自基站12的查询(或报警信号)获得的关于新卫星历表的数据。这些数据使得能够在大约1秒钟内，即，与原型机相同，进行快速(无跟踪)锁定码和频率信号并且确定地点的坐标。

所给出的在所述条件下能够进行所述加速定位的算法的要素是：信道14₁-14_N的相关器27₁-27_K和28₁-28_K围绕计算伪范围来安排，然后，以1秒钟为间隔将信道27₁-27_K和28₁-28_K的正交相关器(i)的每个输出的毫秒样本(同相Ii和正交Qi)进行累加(存储于RAM19中)，接着考虑用如下公式表示的数字信息裕度位置估算模数(或模数的平方)： ${\mathrm{\ρ}}^2=\underset{1}{\overset{M/20}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left(\underset{1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}^2+{\left(\underset{1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}^2\]......\left(1\right)$ 其中：M＝1000，为在1秒钟内样本的总数。

然后借助于插入法发现用于寻找伪范围的两个最大值，做法与在文献[9]中的相似。

所有这些运算涉及信道14的每个信道，即，涉及每个可见卫星的GPS，它是在接收机中被处理的信号。如上所述，前面的数据是精确的，这些最大值表征了相关函数峰值的真实位置并且没有必要在任何其他暂时位置对PSP进行位移。

如上面已经被说过的，在所述接收机中，由于与原型机相反，不是以时钟频率F_t累加模数转换单元3输出的样本，而是累加正交相关器27₁-27_K和28₁-28_K输出的毫秒样本，因此，相关运算不是象原型机那样用软件进行的，而是借助于硬件进行--仅借助于相关器13。

由于在该数据条件下，在1秒钟内足够对样本累加一次，不对其他任何暂时位置进行PSP位移，因而与原型机相比，在所述接收机中，在确定坐标时不浪费时间。

第二种算法的要素以及运算顺序由附图5的算法的单元框图说明。运算的顺序如下。

根据第一种算法，借助于单元10形成报警信号之后(单元58)，由所研究的上述方法确定导航任务(单元59)。在能够完成任务的情况下，在通信信道上向基站12传送报警信号和位置坐标(单元60)。

在用第一种算法的方法不可能完成任务的情况下，开始只向基站传送报警信号(单元61)。然后，在这种情况下，当有精确估算的先前数据时，即当有位置数据、参考发生器的频率的估算、正确的时间、载波频率的多普勒频移(单元62)的时候，使用基站12在通信信道上接收可见卫星的历表(单元63)。

在将精确数据和卫星历表安装在数字相关器13的信道14₁-14_N(即，各个信道的数字控制码发生器22、数字控制GPS码C/A发生器23、以及数字控制载波频率发生器20)之后(单元64)，这表示信道14₁-14_N的每个信道的K个正交相关器27₁-27_K和28₁-28_K建立了延迟和载波频率的计算值。

此外，以1秒为间隔，对从所有信道14的相关器27₁-27_K和28₁-28_K输出的样本，即M＝1000个样本(同相I和正交Q)进行累加(单元65)，为第一个信道14₁安装第一个卫星的数据(单元66)，考虑到数字裕度，在1秒钟内在每个正交相关器中寻找累加模数(单元67)。因此，在与数字20毫秒相等的时间内寻找累加模数，在正交信道中被相关地累加，即，按照公式(1)进行合并。

此外，寻找有最大模数的两个相关器，即，寻找第一个和第二个最大值(单元68)，然后插入相关的峰值并根据文献[9]中使用的相似算法为这个卫星寻找虚拟范围(单元69)。

此外，对其他卫星安装数据时重复上述处理(单元70)。处理一直重复到在所有信道141-14N中的累加被处理过(单元71)。

这之后，导航任务完成(单元72)并且向基站12传送定位信息(单元73)。

在实现第二种算法的时候没有精确的前面数据(见图5，单元62)时，或在信号互锁的条件下，第一次启动接收机，没有检测到信号，则更进一步的工作用第三种算法实现。

实现第三种算法的条件可以表征为：除了没有数据以外，也可能由微处理器15的内部时间给出大致时间(如果误差是1分钟，给出的频率信号的多普勒频移的估算误差为60Hz，如果是1秒钟，误差是1Hz)。因此，借助于单元10和11，参照基站12，答复可见卫星的数量，提供可见卫星的历表、关于时间的数据(精度为1秒)以及关于地点的数据(精度不低于150公里)。

如果基站在半径±150公里以内(但不超过)，以同样的精度给出前面位置的坐标。它允许在没有符号和场同步的伪范围的样本中提供多种许可。它可以解释为1毫秒的C/A码的周期对应300公里相位路径的宽度，并且已知的多种许可的条件对应1/2相位路径的宽度。象已知的那样，由于1公里的误差导致多普勒频移的估算误差为1Hz，这导致有必要在寻找信号时，不仅依靠延迟，而且依靠在4至20毫秒之内保证对信息(同相样本I和正交样本Q)连续累加的频率。这样，在20毫秒时，频率的误差应该不超过15Hz，在10毫秒时，不超过30Hz，在4毫秒时，不超过70Hz，大的功率损耗不同地发生。考虑到所述情况，所给出的算法的最佳实现为接收机距离基站在30公里的半径之内。所说的所有内容是真实的，原型机在相似条件下进行定位，但是在对原型机的描述中没有提到这些。

此外，在所述的条件下，要保证根据GPS信号进行定位所要求的时间，从基站12可以接收到高稳定的正弦同步信号，用它来估算形成器4的参考发生器的频率相对于额定值的偏差。

可替换的方法为，根据同步信号调谐参考发生器频率。如果象原型机一样使用参考发生器，则同步信号是不需要的，昂贵的高稳定参考发生器(“TXCO”)的稳定性比率不低于0.1ppm。

在对于必要的信息从基站12获得所述数据并且已经定义了参考发生器的频移之后(或已将其设置好)，借助于微处理器15，计算可见卫星信号的多普勒频移的值并且根据计算的多普勒频移的值，将对应的可见卫星的载波频率值发送到数字相关器13的每个信道14的数字控制发生器20，将这些放置在所有可见卫星上的信道14中。

在如此设置的信道14中进行相关器27₁-27_K和28₁-28_K的排列。相关器27₁-27_K和28₁-28_K的排列通过对可编程延迟线24形成的参考码，即，关于码的1/2数字C/A的暂时移位进行。在这种情况下，在信道14中使用的相关器27₁-27_K和28₁-28_K的K＝20至40时，数字10至20重叠。考虑到GPS系统的时间刻度，由于1023数字的C/A码周期和考虑GPS系统的时间刻度时接收机的时间刻度的位置不知道(由于没有完成以前的导航任务)，由所述的关于数字10至20的信道的相关器的移位进行对于后续信号的寻找。移位的最大值为50至100次。由于从数字相关器13输出的样本在1秒钟内被累加，检测信号的最长时间为50至100秒。平均时间小于二分之一，即，25至50秒。

所述的暂时费用是这样的价格，在所述接收机基本简化的数据条件下，需要对定位能力支付费用。可是，实际上，从由功能接收机实现的观点看，在数据条件下所述的定位的暂时费用不是基本的。

现在考虑实现对于不同位置的数字预期裕度的样本总和的第三种算法，即，在0至19ms中用1ms位移，并且不仅码的C/A周期的开始位移而且数字裕度的位移都有球形最大值。

所考虑的第三种算法是在这种条件下实现的，即，当频率的多普勒频移的计算精度和参考发生器的频率漂移量给出一个频繁的位置时。(如果精度不好，应该通过寻找不同的频率位置来增加算法，这些在这里没有考虑)。

第三种算法的要素和操作顺序由图6示出的算法的框图表示。下面是实现第三种算法的操作顺序。

开始时，在通信信道上，接收来自基站12的数据(单元74)。在数据的结构中有历表、可见卫星的数量和精度不低于150公里的位置坐标(这是可取的，如上所述，精度不低于25至30公里时，多普勒频移确定的误差不低于30Hz)。同时锁定形成器4的参考发生器的频率与额定值的偏差，这是由与在通信信道上从基站12接收到的高稳定参考信号有关的移位确定的(单元75)。换言之，当参考发生器的频率的调谐是按照这个外加的高稳定信号的频率实现时，所说的偏差值为零。

在相关器13的信道14设置卫星载波频率值的计算数据(单元76)，即，设置数字控制发生器20的载波频率，然后设置数字相关器13的信道14的要素，在第一个暂时位置上确定范围(单元77)。这样，所有K＝20至40的正交相关器27₁-27_K和28₁-28_K被放置有码的1/2数字C/A的步长，因此，重叠数字10至20的间隔(在1023C/A码周期中的所有数字)。

在RAM19中收集样本-在1秒钟之内简单储存(单元78)，然后对用于数字信息的预期裕度的不同位置的每个信道14的每个相关器估算模数或它们的平方(单元79)。这是需要的，因为在精确的时间上没有数据并且历表不足以数字的定界，同时，如果不知道它们，就不可能在I＝4至20毫秒之内进行样本的连续累加。

按照下面的表达求取模数值： ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ji}}^2=\underset{1}{\overset{M/1}{\mathrm{\Σ}}}\[{\left(\underset{1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_j^2+{\left(\underset{1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_j^2\]$ …………(2)

其中：i＝样本的数量，i＝1～1000；

j-数字信息裕度的假定位置，j＝0～19ms；

I-信号的相干处理的间隔的持续时间，I＝4至20毫秒。

下面在数字相关器13的每个信道14中(即，在每个卫星上)寻找模的两个球形最大值(单元80)，然后将它们与阈值进行比较从而确定检测(单元81)。如果没有检测到信号，在数字10至20中将信道14的发生器23中的C/A码进行移位(单元82)并且重复单元78-81的循环操作。

当寻找到并且确定了用于所有卫星的所述最大值之后(单元83)，插补相关的峰值并且计算伪范围(单元84)，完成定位任务(单元85)并且将坐标传送到基站12(单元86)。

在不同的GPS信号接收条件下，包括互锁的条件下，所述接收机如此运行。即使在接收到的GPS信号的信噪比低于标准阈值的情况下，也能够传送定位信息以及报警信号(在发生极端情况的情况下)。这使得可以“在树叶底下”，即，在被覆盖等条件下，使用所述接收机。

由上述可见，本发明是合理的、适合产业化的并且解决了开发用于个人安全识别系统的GPS接收机的问题，与原型机比较，具有容易实现、功耗低、总体尺寸和重量小和价格低等优点(由于取消了原型机功耗大的7-9功能单元)，这对于大众消费者是尤其重要的。因此，由所述接收机实现了涉及接收机定位的所有必要的功能，包括在GPS信号互锁的条件下，当它的功率小于正常功率-164.5dBW-15至20dB时，能够实现作为用于个人安全系统的GPS信号接收机的主要性能。

在保留接收机的所有功能的情况下，对于接收机已完成的基本简化和费用降低使得人们可以展望，在已有的通信系统中使用该接收机来保护人们的个人安全。

Claims (2)

1.一种用于个人安全系统的便携式GPS接收机，包括普通GPS信号接收机中顺序连接的输入和输出单元、数据的输入-输出单元、用于通过通信信道接收和发送数据的无线电收发器单元；无线电收发器单元将接收机与基站连接，其输出的参考信号连接到输入单元的参考输入；输出单元的时钟输入连接到输入单元的时钟输出；输入单元包括顺序连接的(1)射频变换器，它的信号输入是输入单元的信号输入，(2)信号的模数转换单元，它的输出是输入单元的信号输出，(3)时钟信号和外差频率形成器，它的参考输入是输入单元的参考输入；时钟信号和外差频率形成器的外差输出连接到信号的射频变换器的外差输入，其时钟输出为输入单元的时钟输出，连接到信号的模数转换单元的时钟输入，其特征在于：普通GPS信号接收机的输出单元包括N＝8至12个并行处理信道的多信道数字相关器，这些并行处理的相关器与微处理器连接，微处理器配有用于存储信号处理程序的固定存储器和用于存储数据的可操作存储器，用来在没有GPS信号互锁的标准模式下运行，因此，输出单元的微处理器由数据交换总线连接到输入单元的信号时钟和外差频率形成器、数据的输入-输出单元、无线电收发器单元以及附加的用于存储信号处理程序的固定存储器和用于存储数据和在GPS信号互锁的条件下多信道数字相关器运行样本的可操作存储器，多信道数字相关器的N个信道的每个信道配有K个同相和K个正交相关器，其中，K＝20至40，这些相关器与相应的存储单元连接，以保证GPS信号与C/A码的K个拷贝能够同步相关，将GPS的C/A码的数字的一半移位，在等于C/A码出现的时间内，将相关的结果连续累加。

2.如权利要求1所述的接收机，其特征在于：多信道数字相关器的每个信道包含数字控制载波频率发生器、控制寄存器、数字控制码发生器、GPS码参考C/A发生器、可编程延迟线、对应同相和正交处理信道的第一和第二数字混频器、来自K个同相和正交相关器的第一和第二组，其第一输入连接到相应数字混频器的输出、第二输入连接到可编程延迟线的相应输出、并且输出连接到相应存储单元的信号输入，数据交换单元连接存储器单元的输出、数字控制载波频率发生器的控制输入、控制寄存器的控制输入、数字控制码发生器的控制输入以及具有输出单元的微处理器的参考C/A码发生器的第一输入，这样，数字混频器的信号输入相互连接形成信道的信号输入，数字控制载波频率发生器、数字控制码发生器、可编程延迟线和存储单元的时钟输入相互连接形成信道的时钟输入，第一和第二数字混频器的第二输入对应地连接到数字控制载波频率发生器的第一和第二输出，可编程延迟线的信号和控制输入对应地连接到GPS码的参考C/A发生器的输出和控制寄存器的第一输出，控制寄存器的第二输出连接到GPS码的参考C/A发生器的第二输入，GPS码的参考C/A发生器的第三输入连接到数字控制码发生器的输出，因此，多信道数字相关器信道的信号输入相互连接并且信道的时钟输入相互连接相应地形成多信道数字相关器的信号和时钟输入。

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