CN1623286A - 用于确定接收信标信号与重建信号之间相关性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定由信标发送并由接收机跟踪的信号与接收机预期要接收的重建信号之间相关性的方法，其中所述接收信号和所述重建信号彼此相对移位。为提供补偿跟踪信号中的残余正弦调制的可能性，建议在每个移位位置将接收信号和重建信号的样本相乘并分别在多个段中求积分。结果与其本身的经移位的复共轭形式相乘。对第二次相乘产生的乘积求积分，以得到对应每个移位位置的一个最终值。最后，确定相应于不同移位位置产生的最终值，将具有最大值的移位位置视为具有最大相关性的移位位置。

Description

用于确定接收信标信号与重建信号之间相关性的方法
发明领域
本发明涉及确定在一方面由信标发送并由跟踪所述信标的接收机接收的信号与另一方面预期要在所述接收机上从所述信标接收的重建信号之间相关性的方法。为了确定相关性，使接收信号和重建信号彼此相对移位。具体地说，本发明涉及在接收信号包括无用正弦调制的情况下确定相关。本发明同样涉及对应的接收机和包括接收机的定位系统。
发明背景
GPS(全球定位系统)是基于对信标所发信号进行评估的已知定位系统。GPS中的星座由围绕地球旋转并作为信标的20多个卫星组成。这些卫星的分布确保从地球上任意点通常可看到5到8个卫星。每个亦称为空间飞行体(SV)的卫星发送两种微波载波信号。其中一种载波信号L1用于承载标准定位服务(SPS)的导航消息和代码信号。L1载波相位由每个卫星使用不同的C/A(粗捕获)码调制。因此，不同的卫星获得了不同的传输信道。C/A码将频谱扩展到1MHz带宽上，每隔1023比特重复，该代码的出现时间间隔为1毫秒。L1信号的载频还用导航信息以50比特/秒的比特率进行调制，该信息具体而言包括星历和年历数据。星历参数描述了相应卫星轨道的近程区域。根据这些星历参数，在卫星处于相应所述区域的任意时间，算法可估计卫星的位置。使用星历参数计算的轨道很精确，但天文参数仅在短时间内有效，即大约2-4小时。相反，年历数据包含粗略的轨道参数。基于年历数据计算的轨道精度不如基于星历数据计算的轨道，但它们的有效时间可超过一周。年历和星历数据还包括时钟校正参数，这些参数指示卫星时钟与通用GPS时间的当前偏差。
此外，每隔6秒周时(time-of-week)TOW计数会作为另一部分的导航消息报告。
其位置要确定的GPS接收机接收由当前可用卫星发送的信号，并且接收机的跟踪单元根据不同的包括C/A码检测并跟踪不同卫星使用的信道。接收机先确定每个卫星发送的代码发送时间。通常，估计的发送时间由两部分组成。第一部分是从卫星信号的译码导航消息中提取的TOW计数，它具有6秒精度。第二部分是基于从接收机跟踪单元接收指示TOW的比特的时间对历元(epoch)和码片计数。历元和码片计数为接收机提供了特定接收比特发送时间的毫秒和亚毫秒。
根据发送时间和接收机上信号的到达TOA的测量时间，确定了信号从卫星传播到接收机所需的飞行时间TOF。通过将此TOF乘以光速，它可转换为接收机与相应卫星之间的距离。特定卫星与接收机之间的计算距离称为伪距，这是因为在接收机中未精确地知道通用GPS时间。通常，接收机根据一些初始估计值计算信号的精确到达时间，初始时间估计值越精确，位置和精确时间计算就越有效。网络可以但不是必须向接收机提供参考GPS时间。
随后，由于接收机位于一组卫星的伪距相交处，因此，计算的距离和估计的卫星位置允许计算接收机的当前位置。为能够计算接收机的三维位置，需要接收机时钟的时间偏差、4个不同GPS卫星的信号。
如果一个接收机信道上导航数据可用，则包括在接收信号中的发送时间指示还可在时间初始化中用于校正接收机的时钟误差。在GPS中，定位需要使用初始时间估计。对于初始时间估计，大约0.078秒的卫星信号平均传播时间会加到从导航信息提取的发送时间中。相加结果用作信号到达时间的估计值，该估计值与精确到达时间相差在大约20毫秒内。随后，接收机为不同卫星确定相应信号离开卫星的时间。使用当前时间的初始估计值，接收机通过光速进行换算，形成了以秒或米为单位的伪距测量值，作为相应信号从卫星传播到接收机的时间间隔。从确定的伪距计算出接收机位置后，接着可以从标准GPS等式计算接收的精确时间，精度达1微秒。
然而，为能够使用此类时间初始化，需要卫星信号的导航数据。目前，多数GPS接收机是为户外操作而设计的，具有良好的卫星信号电平。因此，只需良好的传播条件便可确保获得所述时间初始化所需的导航数据。
与此相反，在传播条件差时，由于高误码率和弱信号电平使得稳健的导航比特译码无法实现，因此，可能无法从接收的卫星信号提取足够精确的导航消息。这种差的传播条件通常发生在室内，使得时间初始化和伪距测量更加困难。
对于由于导航数据有干扰而无法应用标准时间初始化方法的那些情况，可以通过时间恢复方法执行接收机的时间初始化过程。一些已知的时间恢复方法基于跟踪信号与预期信号的互相关，以定义发送时间，这将在下文中解释。
即使在差的传播条件下，接收机仍可跟踪GPS卫星的信号并提供原始数据而不评估包含的比特值。此外，可从网络获得例如星历和/或年历数据等有关卫星的一些信息，GPS信号内容的先验知识可实现导航数据流某些片段的重建。接着，使用基于互相关的技术可将重建的数据用于时间初始化和位置计算。
对于互相关方法，将接收的原始数据和预期数据彼此相对移位。对于每个移位位置，执行两个信号重叠部分的逐点乘法，考虑不同的抽样率。在对应每次移位位置的乘法后对结果求积分。预期信号与接收的原始数据的重叠部分之间的最佳匹配假定为积分中产生最高值的移位位置。
此最佳匹配允许确定接收信号上的时戳，即最后比特边沿发送时间，类似于常规方式中的TOW。由此时戳，随后可通过从此时戳对对应的历元和码片计数，估计跟踪信号的发送时间。通过将平均飞行时间或更精确的飞行时间估计值加上估计的发送时间，可获得接收机时间。或者，可对GPS等式求解以确定精确的接收机时间。这种替代方法构成了确定精确接收机时间的常规方法，但它需要至少4个卫星的信号的估计发送时间。
然而，在互相关方法中，由于跟踪环卫星未完美地消除接收信号中的失真，因而可能会出现问题。在弱信号条件下，接收机跟踪单元的操作模式很不稳定，并且在跟踪的原始数据中可能保留了严重的正弦调制。特别是相关接收机和卫星移动和时钟不精确导致的多普勒频移会引起此类未补偿的频率失真。
即使小量残余多普勒频移也是危险的，这是因为基于互相关的时间恢复方法在几秒(通常为1到6秒)内进行积分。即使在互相关期间实现了完美匹配，但由于正弦调制，互相关值可能非常小。这在以下事实中很清楚：在原始数据与重建的比特正确对齐且进行两数组中样本逐元素相乘后，消除了数据调制，而正弦调制仍保留。在实际环境中，多普勒调制通常很随机，但在最坏的情况下，会导致固定的调制频率。随后，互相关算法将对复合正弦波求积分并输出一个很小的值。因此，将检测不到接收的原始数据与对应的预期信号片段之间的匹配。
在已知的补偿正弦调制方式中，接收和预期的信号均分别乘以信号本身移位的复共轭形式。随后，以常规方式将接收和预期的信号互相关。
发明概述
本发明的目的是提供一种互相关方法，用于在信标的跟踪信号中补偿残余的正弦调制，具体而言是多普勒调制。本发明的另一目的是提供一种补偿信标跟踪信号中的正弦调制的已知方法的替代方法。
根据本发明，通过确定在一方面由信标发送并由跟踪所述信标的接收机接收的信号与另一方面预期要在所述接收机上从所述信标接收的重建信号之间相关性的方法，实现了这些目的，其中使所述接收信号和所述重建信号彼此相对移位。所建议的方法包括的第一步骤是对于每个移位位置将所述接收信号和所述重建信号相应重叠部分相乘。具体而言，所述乘法可以在相应重叠部分逐点执行。但乘法应考虑所述接收信号与所述重建信号抽样率的可能差异。
所述建议的方法包括的第二步骤是将每个移位位置的重叠部分划分为几个段，并对每段内前一步骤产生的乘积求积分。要注意的是，在这些积分运算开始前并非一定要完成前一步骤的乘法。此外，在接收信号和重建信号的原样本上执行前一步骤的乘法前，可以已经执行了段划分。唯一相关的是要单独对每段的结果乘积求积分。
在所述建议方法的第三步骤中，将相应第一段的积分结果与相应第二段积分结果的复共轭形式相乘。相应第二段到相应第一段具有预定距离。此步骤对预定数量的第一段执行，最好是对作为第一段且在预定距离存在第二段的所有段执行。
随后在第四步骤中对第二次乘法产生的乘积求积分。最后，至少在第四步骤中确定不同移位位置的最大值。具有最大值的移位位置最好是具有最大相关性的期望移位位置。
要注意的是，由于具有最大相关性的假定移位位置可能不是很准确，因此，结果相关值可能有小的变化。因此，例如，在某些信噪比条件下如果怀疑最大相关产生足够强的值，则可能确定的不只是最高相关值，而是几个最高相关值。随后可在期望的进一步处理中尝试所有相关联的位置。
本发明目的还可通过接收机实现，所述接收机包括用于接收和跟踪从至少一个信标传来的信号的装置和用于实现所述建议方法的处理装置。
本发明的目的还可通过定位系统实现，所述定位系统包括接收机和网络的至少一个网元。此网络可以是移动通信网或任何其他网络。接收机同样包括用于接收并跟踪从至少一个信标传来的信号的装置和用于实现所述建议方法步骤的处理装置。另外，所述接收机还包括与所述网络通信的装置。
最后，通过根据本发明的定位系统实现了本发明目的，其中所述建议方法的步骤由在所述系统接收机外部的系统处理单元实现。在这种情况下，接收机包括用于接收和跟踪从至少一个信标传来的信号的装置和用于将接收和跟踪的信标信号提供给所述处理单元的装置。所述处理单元还可包括其他功能。例如，它可以由连接到所述接收机并能够与移动通信网进行通信以接收信息块的移动台提供。它还可以由具有所需信息块的网络的某个网元提供。
本发明的基本思想是用于时间恢复的互相关技术可以使其不受残余正弦调制影响的方式加以修改。普通的互相关对每个移位位置执行两个信号的乘法，接着求积分。根据本发明，这种求积分操作分为两个步骤，在两个步骤之间还插入了一个操作。首先，将乘法中产生的样本分成几段，并且只对各段的相应样本求部分积分。第一积分步骤中产生的信号还乘以其本身的复共轭与移位形式。只有在此之后，对结果信号求积分才可获得对应一个移位位置的单一结果。
本发明的优点是接收机的跟踪环卫星提供的信号中残余调制在互相关本身中得到补偿，这构成了已知方法的替代方法。本发明还有的优点是接收机的灵敏度提高了。
从从属权利要求中可清楚本发明的优选实施例。
在一个优选实施例中，部分积分的段长度由无用正弦调制的预期最大可能频率，即最大可能多普勒频率定义。另外，在确定段长度时，应将接收信号中每比特样本数量考虑在内。
在又一优选实施例，相应第一段和第二段之间预定的距离同样根据接收信号中存在的无用正弦调制的预期最大可能频率来确定。该确定还可基于确定的段长度。第二段可以是紧接于第一段的段，但也可以位于离第一段更远的距离。
在执行根据本发明的相关前接收信号最好处于位同步状态下，因为这可在接收信号与重建信号之间的每个移位位置中实现正确的对齐。
在接收信号由信标发送时，根据本发明的方法可用于计算精确的时间，这是因为重建信号的比特可与标识相关联，从而能够确定信标发送它们的时间。
基于计算的发送时间，根据本发明的方法还可用于执行接收机时间的时间初始化。
对于时间初始化，接收信号接收时接收机的当前时间可精确地确定为确定的精确发送时间与飞行时间之和。飞行时间可依据在接收信号精确的发送时间上信标的可用位置及接收机的可用参考位置来确定。
或者，如果接收机从至少四个信标接收信号，并确定这些信号中每个信号的精确发送时间，则在接收信号接收时接收机的当前时间可由常规GPS等式精确确定。可以采用不同的方法确定不同信道中信号的发送时间。因此，只需要根据本发明的方法，确定至少四个信标中的一个信标的信号发送时间作为GPS等式的基础。
可理解，用语“精确时间”不指绝对精度而仅指很高的精度。
如果接收机能够与网络进行通信，则接收机可接收各种信息作为执行根据本发明的计算的基础。要注意的是，接收机可与网络直接或间接进行通信，例如，在网络是移动通信网时，可经某一移动台进行通信。例如，网络可为接收机提供接收机的参考时间、此参考时间的最大误差、接收机的参考位置和至少一个信标的位置信息。具体而言，位置信息可包括至少一个信标的星历数据和/或年历数据。一些情况下，网络上可用的只有星历数据、只有年历数据或两者均可用，并且只可提供可用数据。如上所述，提供辅助数据的网络可以是移动通信网，但它也可以是能够通过诸如DGPS(差分全球定位系统)站等网元提供辅助数据的其他任何种类的网络。
在包括网络某个网元的根据本发明的定位系统的优选实施例中，所述网元为此包括了用于接收和跟踪至少一个信标信号的装置和此外用于为接收机提供上述至少一个信息块的装置。要注意的是，如果网络提供信息块，则并非要提供所有列出的信息块。例如，时间基准的最大误差可通过标准或系统规格中对参考时间的要求来指定。这种情况下，由于接收机已知最大误差，因此，无需传递最大误差到接收机。
每个所述数据也可存储在接收机中，或者由接收机中的某一算法提供，或由连接的处理单元提供，例如，提供当前时间估计值及此估计值中最大可能误差的另一时间恢复算法。因此，根据本发明的接收机还可不依赖网络的辅助数据进行工作。
如果处理装置缺少某些需要的信息，则只可以重建部分信号。但通过小心处理，仍可应用根据本发明的方法。例如，未重建的比特可由0来替代，而重建的1将设为±1。通过监控具有“0”值的“未重建”比特数量，可在每次互相关期间在接收机中维持控制。如果该数量不大，则执行互相关，但如果发现重建的数组几乎为空，则不使用此片段，并且接收机将等待更有利的时刻。由于通过滑动和互相关比较了不同相位，因此，互相关峰值取决于给定阶段的编号“未知”的比特，该编号从一个滑动位置变到下一个滑动位置。可采用一种换算方法来进行正确的归一化，以便根据本发明的方法仍可正常地处理一些未知比特。
虽然不是必需，但根据本发明的改进的互相关处理最好以软件的形式来实现。
本发明尤其可用于当前GPS系统中，并同样可在带有新信号的未来扩展GPS系统以及如伽利略(Galileo)等其他类似的基于信标的定位系统中使用。它还可在要使用接收机接收的信标信号执行互相关的任何系统中采用。
具体地说，信标具体可以为但不排他地为卫星或移动通信网的基站。
最好但并非一定要的是，接收机为GPS接收机，而信标为GPS空间飞行体。
附图简述
下面结合附图给出本发明示范性实施例的详细说明，由此可清楚本发明的其他目的和特征，附图中：
图1显示了接收信号的TOT与同一信道中接收的前一最后比特边沿之间的关系；
图2显示了估计的发送时间误差与前一最后比特边沿估计发送时间中误差之间的对应关系；
图3是说明确定GPS接收机中当前时间的过程的流程图；
图4显示了图3所示过程中比特重建时间间隔的确定；
图5是图4的续图，说明原始数据数组与重建比特数组的互相关；以及
图6详细地说明了在图3过程中所采用的根据本发明的方法实施例的互相关。
发明详述
图1到图6说明了基于按本发明加以改进的互相关处理，在GPS接收机中实施的用于实现GPS时间的时间恢复的过程。GPS接收机从几个GPS卫星接收信号，并能够由在接收机跟踪单元中实现的跟踪环借助相关器跟踪至少一个卫星。此外，GPS接收机包括移动台的功能，因而能够从接收机当前连接到的移动通信网基站接收其他信息。
GPS接收机收到上次测量值的时间称为当前时间，该当前时间是要在建议的时间恢复过程中确定为精确GPS时间的时间。
首先将描述现有的用于卫星信号的一些时间关系，建议的时间恢复基于这些时间关系。
接收机跟踪卫星时，它能够对代码历元计数，每个历元包括1023个码片以及完整和部分码片。这在图1中通过时间条来说明。在所示时间条上指明了以前接收信号的最后比特边沿的发送时间。此时间条上还指示了当前接收信号的发送时间。如无其他说明，下面使用的术语发送时间将始终与这种当前接收信号的发送时间相关。发送时间可通过从测量时间，即从当前时间减去飞行时间TOF而计算得出，TOF是信号从卫星传播到接收机所需的时间。最后比特边沿的发送时间可以类似方式确定。
由跟踪单元应用于跟踪信号的比特同步算法提供对应于最后比特边沿的历元计数器读数。此外，算法为刚收到的信号提供历元/码片计数器读数。接收机从最后比特边沿的发送时间开始对历元计数，直到新接收信号发送时间为止。在本图示例中，接收机在最后比特边沿发送时间与当前信号的计算发送时间之间计到3个完整的历元。接收机此外还计算了在最后完整历元与当前信号的计算发送时间之间的码片。在图中，在第三个历元与当前信号发送时间之间存在4个完整的码片。最后，接收机执行部分码片测量，计算最后完整码片与当前信号发送时间之间的时间。由于历元与码片在卫星上有固定的持续时间，因此，从发送最后比特边沿到发送接收信号的精确持续时间可依据历元和码片计数来确定。
从图1可以明白，在最后比特边沿的时间与新信号离开卫星的时间之间存在一一对应关系。这意味着发送时间的时间估计值误差会导致最后比特边沿发送时间估计值出现相同误差。因此，精确地估计最后比特边沿的发送时间可恢复新信号的精确发送时间。
图2通过另一时间条显示了在确定最后比特边沿的精确发送时间时要处理的定时不确定性。
在图2所示时间条的右端，显示了当前信号真正发送时间和估计的发送时间。估计的发送时间是依据从网络接收的当前时间估计值和假定的飞行时间来确定的。这样，估计发送时间的不精确可因当前时间估计值的误差和TOF估计值的误差而产生。真正的发送时间介于估计的发送时间与在此估计的发送时间的任一方向上的已知最大可能误差确定的间隔内。最大可能误差取决于参考时间的质量。图中也显示了此间隔。
在图2所示时间条的左端显示了最后比特边沿的真正发送时间和最后比特边沿的估计发送时间Tlb。最后比特边沿的估计发送时间Tlb是依据当前信号的估计发送时间和图1所示从最后比特边沿开始的历元和码片计数。图中用双向箭头指示了当前信号的发送时间和最后比特边沿的时间之间的时间间隔。
最后比特边沿的估计发送时间Tlb在任一方向上具有与当前信号的估计发送时间一样的最大可能误差Terr。最后比特边沿的估计发送时间Tlb的可能最大误差的间隔同样显示在时间条上，间隔由下限Tlb-err和上限Tlb+err确定，其中(Tlb+err，Tlb+err)＝(Tlb-Terr，Tlb+Terr)。最后比特边沿的真正发送时间Tlb在此间隔内，该间隔因而可认为是真正的最后比特边沿的搜索区域。
实现GPS时间的时间恢复的建议过程基于这些考虑事项，下面将参照图3方框图对其进行描述，图3显示了该过程的不同步骤。该过程通过具有对应软件的接收机处理单元来实现。
处理单元从GPS接收机当前连接的基站接收接收机的参考位置、参考时间、参考时间的最大可能误差及至少一个卫星的导航数据。或者，这种信息可在接收机内存储和/或生成。
GPS接收机当前跟踪至少此卫星，并且跟踪单元另外提供了从对应跟踪信道到处理单元的原始数据。术语“原始数据”指在基带跟踪侧跟踪单元相关器的输出上未执行比特值的确定。相关器的输出包括I(同相)和Q(正交)分量，这些分量在收到处理单元的软件请求时以一定精度提供。
如上所述，跟踪单元还对跟踪信号应用比特同步算法。期望在相关信道中实现比特同步，这样，即使比特本身由于噪声而不容易识别，也可得知信号中的比特边沿。比特边沿在弱信号条件中更易于检测，这是因为比特同步算法是缩小噪声带宽的积分型例程(integration type of routine)。因此，跟踪单元还可将历元和码片计数提供给处理单元。
在图3所示过程的第一步骤中，确定包含最近接收比特边沿的正确GPS发送时间的时间间隔。
为此，根据从基站或从本地时钟接收的时间基准确定当前时间Tcurr的估计值。可用时间估计值同样从基站接收或者从系统规格中知晓，其时间不确定量再次表示为Terr。为确定所需间隔，除非要使用标称的默认值0.078秒，否则，另外需要飞行时间TTOF的估计值。与累计到接收信号最后比特边沿的连续原始样本对应的持续时间称为Traw。如图1所示，接收机的跟踪单元从最后比特边沿开始测量码片和历元计数，并将其提供给处理单元。从最后比特边沿到接收信号的估计发送时间为止所累计的历元、码片和部分码片测量的全部时间等效值表示为TFromLastBit。于是预计卫星的最后比特边沿发送时间在以下间隔内：
(Tlb-err，Tlb+err)≡(Tcurr-TTOF-TFromLastBit-Terr，Tcurr-TTOF-TFromLastBit+Terr)
在同样也在图3中显示的第二步骤中，更精确地估计了最近接收比特边沿的发送时间。此进一步估计是基于将接收的原始数据数组与重建的比特数组互相关。图4说明为此而需要进行的比特重建间隔确定。
图4显示了另一时间条。与图2中一样，其中显示了最后比特边沿的估计发送时间Tlb、最后比特边沿的真正发送时间以及最后比特边沿的估计发送时间Tlb中最大可能误差的边界Tlb-err、Tlb+err。第一水平梁a)还显示了在原始数据根据GPS信号的已知规律性及时回移时，持续时间为Traw的接收原始数据的真正时间位置正好在最后比特边沿的真正发送时间结束。假定未知的最后比特边沿时间在上述定义的间隔(Tlb-err，Tlb+err)内时，第二水平梁b)显示了原始数据数组的最早可能位置，以及第三水平梁c)显示了原始数据数组的最新可能位置。
在比特重建间隔内必须从可用导航数据中重建比特以得到互相关，因此，在确定比特重建间隔时，要确保重建的比特从所示最早可能位置开始到所示最新可能位置可用于与原始数据进行相关处理。这表示从最早可能比特边沿时间Tlb-err之前原始数据持续时间Traw处开始，到最新可能最后比特边沿时间Tlb+err结束，都必须提供重建比特。
因此，如图4中显示为第四水平梁d)的比特重建间隔可计算为：
(Tstart，Tend)≡(Tlb-err-Traw，Tlb+err)。
在下一步骤中，调用了处理单元帧重建器的导航数据重建例程。该例程使用从网络接收的卫星参数重建导航数据比特。导航比特在整个确定时间间隔(Tstart，Tend)内重建。比特重建数组中的每个比特可由导航消息中的该比特的地址确定，即由帧号、子帧号及该子帧中的比特索引确定。
图5是图4的继续，它再次显示了最后比特边沿的真正发送时间、最后比特边沿的估计发送时间Tlb、估计时间Tlb-err和Tlb+err的最大可能误差限制、指示原始数据数组最早可能位置的水平梁b)及表示比特重建间隔的水平梁d)。另外，重建的比特数组在图5中显示为水平梁f)。
在图3流程图所示过程的第三步骤中，在图5中以水平梁e)表示的原始数据数组与水平梁f)表示的重建比特数组之间进行互相关，以便找出原始数据与重建比特数组特定片段之间的最佳匹配。
通过沿重建比特数组使原始数据数组移位，并将每个移位位置上的重叠部分互相关，将水平梁e)表示的原始数据数组中的累积数据与水平梁f)表示的重建比特数组的不同片段进行比较，这些片段与原始数据数组具有相同的持续时间Traw。每个移位位置的互相关结果收集在一个数组中。图5显示了表示这种数组中值的示范分布的图形g)，这些值与时间条上用于相关的重建比特数组的相应片段中的最后比特相关联。从此数组中选择最大绝对值并确定对应的移位位置。与此移位位置相关联的重建数据数组片段预计构成原始数据数组的最佳匹配。在图5中，相应地在最后比特边沿的真正发送时间显示了一个明显的最大值。
因此，原始数据数组最近接收比特可与重建数组的确定片段中的最后比特相关联。由于重建间隔中所有重建比特的比特地址已知，因此，同样可清楚地识别确定片段的最后比特。子帧或子帧中比特(bit-in-subframe)格式的最后比特标识允许发现最后比特边沿的精确GPS发送时间。
在图3所示过程的另一步骤中，接收信号离开卫星的时间计算为精确的发送时间TTOT。重建比特地址已知为带有已知的SubframeNumber和LastBitNumber，因而可确定精确发送时间的第一分量。处理单元还从跟踪单元接收了在估计的最后比特边沿的历元计数LastBitEpochCount及当前历元计数CurrentEpochCount，即接收信号接收时的历元计数，以及同样接收了以秒为单位的亚毫秒码片计数测量值，该测量值表示为C/A，允许确定精确发送时间的第二分量。整个精确发送时间TTOT可计算为：
TTOT＝SubframeNumber*6s
      +LastBitNumber*20ms
      +(CurrentEpochCount-LastBitEpochCount)*1ms
      +(IntegerChipCountInSeconds)
      +FrctionalChipcountInSeconds)
在图3所示过程的最后步骤中，在接收机中对当前时间估计值加以改进。
此改进发生的方式取决于是否可确定至少4个卫星或少于4个卫星的信号的精确发送时间。
如果收到少于4个卫星的信号，则通过所确定的一个卫星的精确发送时间和从此卫星的基站接收的星历数据计算此卫星的位置。随后，根据基站提供的用户参考位置和确定的卫星位置计算飞行时间。当前时间估计为精确的发送时间与确定的飞行时间之和。
如果可提供至少4个卫星的精确发送时间，则也可使用普通的GPS位置和时间计算方法，如最小平方方法。
图6更详细地说明了上述方法中的相关技术，该技术用于克服提供给接收机处理单元的原始数据中的残余正弦调制所造成的问题，即多普勒频率问题。
在图6所示的第一行a)中，显示了重建比特数组。该数组对应于图5中以水平梁f)表示的数组。在当前示例中，以每比特一个样本对复制信号(replica)抽样，数组中的每个比特以黑色圆点表示。
在第二行b)中，显示了来自跟踪信道的原始数据数组。原始数据具有已知的每比特样本数，数组中的每个比特以黑色圆点表示。此数组对应于图5中以水平梁e)表示的数组。卫星信号具有两个分量I和Q，并且每个原始数据样本解释为一个复数，其中I和Q分别表示实部和虚部。
b)行的原始数据数组沿a)行的重建信号滑动，并且处理单元尝试在复制信号中发现类似的比特图案。在当前滑动位置，原始数据数组与重建信号的一个片段对齐，该片段在a)行中由两条竖线来定界。
如图6所示的c)到h)行所示，不直接对相应的两组数据执行互相关，而是采用了改进的算法。作为此算法的输入，提供了包含原始接收信号(Xs(n))的b)行数组和包含对应相应滑动位置的a)行重建信号(Xr(n))的片段的数组。此外，还提供了两个数组(Ns、Nr)的长度、跟踪(ΔF)后剩余的正弦调制频率的可能范围及接收信号中的每比特样本数(ks/b)。
在第一步骤中，算法将带有重建信号片段的数组和带有原始数据的数组划分成同样大小的几段，分别如c)行和d)行所示。段(Nss)的长度从最大可能多普勒频率ΔF计算。例如，如果算法的输入取自跟踪信道相关器的输出，则长度可例如由如下等式计算：
N ss = floor ( 1000.0 . k s / b 20 ΔF ) ;
if(Nss＝0)then Nss＝1。
函数floor(..)具有不超过变元值的最接近的整数输出。如果由此等式得到的段长度Nss为零，则将长度设为Nss＝1。
现在由算法根据实现4个步骤的两个等式来计算每个对齐位置l的相关。
第一个等式用于确定特定对齐位置l的每段ks的相关Rsec tion(l，ks)，段数量表示为Ks：
第一个等式因而执行每段中的重建信号与原始数据的逐点样本乘法步骤，这在等式中通过Xr与Xs相乘来实现。等式还包括在等式中通过求和单元？实现的相干积分步骤。
在图6所示f)行表示的子相关结果随后以补偿或消除剩余正弦调制的方式在g)行中合并。
为此，第二等式用于将特定对齐位置l的最终相关R2(l)确定为：
R 2 ( 1 ) = Σ k s = 0 K s - 1 - k shift R sec tion ( l , k s ) R sec tion * ( l , k s + k shift ) ,
其中：
Figure A0282865200221
函数ceil(..)具有超出变元值的最接近整数输出。
第二等式因而执行将子相关与在时间上移位kshift的共轭形式相乘的步骤，这在等式中通过Rsection和R* section相乘来实现。第二等式还执行在等式中通过求和单元？实现的非相干积分的最终步骤。
如图6中的h)行所示，当前对齐位置的最终相关的结果值放入数组中的对应位置中。此数组对应于图5中的图g)。
如图6中的i)行所示，在提供所有对齐位置的最终相关值时通过算法确定最大值。
最后，如图6中的j)行所示，确定与此最大相关性值对应的对齐位置的相位，以便如以上参照图3所述的那样，计算产生原始数据的信号的发送时间。

Claims (22)

1.一种确定在一方面由信标发送并由跟踪所述信标的接收机接收的信号与另一方面预期要在所述接收机上从所述信标接收的重建信号之间相关性的方法，其中，所述接收信号与所述重建信号彼此相对移位，所述方法包括下列步骤：
a)对于每个移位位置将所述接收信号和所述重建信号相应重叠部分相乘；
b)将每个移位位置的所述重叠部分划分为几个段，并且对每段内所述前一步骤产生的乘积求积分；
c)将相应第一段所述积分结果与相应第二段积分结果的复共轭形式相乘，对于预定数量的第一段，所述相应第二段到所述第一段具有预定距离；
d)对步骤c)中产生的乘积求积分；以及
e)至少确定步骤d)中对应于所述不同移位位置产生的最大值，具有所述最大值的所述移位位置是是具有最大相关性的移位位置最可能的候选。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述段的所述长度是依据所述接收信号中无用正弦调制的最大可能频率来确定的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述段的所述长度还依据所述接收信号中每比特样本数量来确定。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述相应第一和第二段之间的所述预定距离依据所述接收信号中无用正弦调制的最大可能频率来确定。
5.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于包括：在步骤a)的所述乘法中将所述接收信号和所述重建信号中抽样率的可能差异纳入考虑。
6.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于在执行所述步骤a)到d)前为所述接收信号实现比特同步。
7.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述重建的信标信号通过以下方式重建：
-将包含所述已接收信标信号信道中所述已接收信标信号发送前最后比特边沿发送时间的时间间隔(Tstart，Tend)计算为(Tstart，Tend)＝(Tcurr-TTOF-TFromLastBit-Terr-Traw，Tcurr-TTOF-TFromLastBit+Terr)，其中TCurr是所述已接收信标信号的估计到达时间，TTOF是所述已接收信标信号的估计飞行时间，TFromLastBit是在所述最后比特边沿的估计发送时间与所述已接收信标信号估计发送时间之间的确定时间，Terr是所述可用时间估计值Tcurr和TTOF的总时间不确定量，以及Traw是所述已接收信标信号的长度；以及
-重建所述确定时间间隔(Tstart，Tend)内的所述重建信标信号。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：在所述接收信号是由所述信标发送时，在步骤e)后计算所述精确时间，所述已接收信标信号的精确发送时间是依据比特地址和时间差来计算的，所述比特地址与所述重建信标信号片段的最后比特相关联，在与所述已接收信标信号的所述互相关中造成最高相关值；所述时间差是所述最后比特边沿的所述发送时间与所述已接收信标信号的所述发送时间之差，是依据收到所述已接收信标信号的信道上的历元、码片和部分码片测量值来确定的。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于：在步骤e)之后，在所述接收信号是由所述信标发送时计算精确的时间，以及依据所述发送时间对所述接收机时间进行初始化。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：对于所述时间初始化，所述接收信号接收时所述接收机的当前时间可精确地确定为确定的精确发送时间与飞行时间之和，所述飞行时间可依据在所述接收信号的精确发送时间上所述信标的可用位置及所述接收机的可用参考位置来确定的。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述接收机从至少4个信标接收信号，其中所述时间初始化包括：依据利用所述至少4个信标信号的精确发送时间的GPS等式在至少一个所述接收信号接收时确定所述接收机的精确当前时间；其中至少一个所述信标信号的精确发送时间是根据权利要求9来确定的。
12.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于网络提供至少以下信息片段之一：所述接收机的参考时间、参考时间的最大误差、所述接收机的参考位置及至少一个信标的位置信息。
13.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于所述信标是卫星。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述接收机是GPS接收机，并且其中所述卫星是GPS航天器。
15.如权利要求1到12之一所述的方法，其特征在于所述信标是移动网络的基站。
16.一种接收机，其包括用于接收和跟踪至少一个信标的信号的装置和用于实现如以上权利要求之一所述方法步骤的处理装置。
17.一种定位系统，其包括接收机和网络的至少一个网元，所述接收机包括用于与所述网络进行通信的装置、用于接收和跟踪至少一个信标的信号的接收装置及实现如权利要求1到15之一所述方法步骤的处理装置。
18.如权利要求17所述的定位系统，其特征在于：所述网元包括用于接收和跟踪所述至少一个信标的信号的接收装置和用于为所述接收机提供至少以下信息之一的装置：所述接收机的参考时间、参考时间最大误差、所述接收机的参考位置及所述信标的位置信息。
19.如权利要求17或18所述的定位系统，其特征在于所述网络是移动通信网。
20.一种定位系统，其包括接收机和所述接收机外部的处理单元，所述接收机包括用于接收和跟踪至少一个信标的信号的接收装置和将所接收和跟踪的信标信号提供给所述处理单元的装置；并且所述处理单元包括实现如权利要求1到15所述方法步骤的装置。
21.如权利要求20所述的定位系统，其特征在于还包括网络的至少一个网元，其中所述处理单元包括用于与所述网元进行通信的装置；以及其中所述网元包括用于接收和跟踪所述信标的信号的接收装置和用于为所述处理单元提供至少以下一个信息片段的装置：所述接收机的参考时间、参考时间最大误差、所述接收机的参考位置及所述信标的位置信息。
22.如权利要求21所述的定位系统，其特征在于所述网络是移动通信网。
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