CN1869730B - 全球定位系统信号接收器及其搜寻与捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种捕获全球定位系统信号的系统与方法，该方法包含：首先设定多个计数值，其中每一个计数值对应至定位信号的码相位段与频段。接着，重复接收单位时间中部分的上述多个计数值所对应的定位信号以及重复计算部分的上述多个计数值达预设次数。最后，找出上述多个计数值中最大的一个计数值，以利用其所对应的上述码相位段与上述频段捕获定位信号。

Description

全球定位系统信号接收器及其搜寻与捕获方法

技术领域

本发明是关于一种全球定位系统(Global positioning system，GPS)信号，特别是有关于一种全球定位系统接收器及其信号搜寻方法。

背景技术

全球定位系统被广泛运用在各种电子装置例如移动电话或是汽车的导航系统，其是根据与各颗卫星的相对位置以对拥有全球定位系统接收器(receiver)的装置作定位。每个全球定位系统卫星会于固定频段发送具有特定码的定位信号，而不同全球定位系统卫星有不同的特定码与其发射频段，每颗全球定位系统卫星所发射的特定码与其频段都是公开已知的固定数据。为了求得与特定全球定位系统卫星的距离与相对位移，全球定位系统接收器会产生特定全球定位系统卫星的特定码，跟由某些频段所接收到的信号相比对，来找出接收到的信号与该特定全球定位系统卫星的特定码的关系。只要找到相对于数个全球定位系统卫星的距离以及速率，就可以求得全球定位系统接收器在空间里面的位置与移动速度。

假定全球定位系统接收器相对于特定全球定位系统卫星是静止不动的，那全球定位系统接收器就应该只要接收该特定全球定位系统卫星的信号发射频段，查看特定全球定位系统卫星的特定码经过多少时间差后，被全球定位系统接收器收到，这样就可以换算出全球定位系统接收器与该特定全球定位系统卫星的相对距离。可以通过改变特定码的相位，然后把改变相位后的特定码与一个频段中接收到信号比对，进而找出可以产生最大相关性的相位，换算而求得这个时间差。这里每一个改变相位后的特定码称为码相位段。

然而，由于全球定位系统接收器可能是处于移动状态，与各颗卫星之间会产生相对速率。依据多普勒效应(Doppler effect)，虽然特定全球定位系统卫星的特定码是由固定频段所发出，全球定位系统接收器可能是在该固定频段附近经多普勒频移后的另一个频段，才可以接收到该特定全球定位系统卫星所发射的特定码。而这个多普勒频段差则意味着相对速率。换言之，如果知道特定全球定位系统卫星的特定码是从哪一个频段被全球定位系统接收器所收到，这个接收频段与特定全球定位系统卫星的固定频段的频段差就可以求得全球定位系统接收器与特定全球定位系统卫星的相对速率。

所以，全球定位系统接收器于搜寻特定全球定位系统卫星过程中需要同时变更特定全球定位系统卫星的特定码的码相位(code phase)及其所在的可能的频段，来跟接收信号相比对，以确认是否捕获(acquire)此定位信号。这些需要比对的码相位段及频段就组成一个二维的搜寻矩阵。

图1显示一示范的码相位段及频段所组成的搜寻样本空间示意图。如图1所示，这些搜寻样本可视为一个二维矩阵1，其中每一列对应一个码相位段(code phase bin)，每一行对应一个频段(frequency bin)。一个码相位段2与一个频段4则组成一个搜寻单元10(cell)。换言之，每个搜寻单元10表示一组对应的码相位段及频段的组合，亦即一组时间差与频段差。全球定位系统接收器就在所有可能的搜寻单元10中进行搜寻，以找到与特定码对应的搜寻单元(目标单元)，并根据其所表示的时间差及频段差，算出卫星与接收器的距离与相对速率。

对于传统的全球定位系统接收器来说，必须以循序的方式逐个比对每个搜寻单元10的相关度，所以搜寻的速度不高。再者，在搜寻到相关度最高的目标单元附近的其它搜寻单元10时，由于其相关度较其它的搜寻单元10高，所以往往需要花费许多时间来比对。因此，可以利用上述搜寻单元10之间相关度高低的特性，以及平行处理的方式以改进全球定位系统接收器及相关搜寻技术，进而更能快速有效地找到此目标单元。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种全球定位系统信号搜寻方法及全球定位系统接收器，可以快速有效地找到上述目标单元，进而达到定位的目的。

于本发明一实施例提供一种搜寻全球定位系统信号的方法，用以搜寻针对全球定位系统卫星定位信号的多个搜寻单元中的一目标单元，上述搜寻单元可构成一个二维矩阵，其中每一列对应上述定位信号的一个码相位段，每一行对应上述定位信号的一个频段，上述搜寻方法包括下列步骤：(1)提供多个计数值K，分别对应上述多个搜寻单元。(2)于检测频段接收单位时间内的定位信号。(3)将上述接收到的定位信号与至少一对应的码相位段同时进行解码，以产生至少一解码结果。(4)将上述解码结果与门坎值比对，当上述解码结果大于或等于上述门坎值时，将上述对应的计数值K加一，以及当上述解码结果小于上述门坎值时，将上述对应的计数值K减一。(5)当上述对应的计数值K大于下限值时，重复执行上述(2)-(4)步骤达预设次数。(6)检查是否针对所有上述搜寻单元已经进行了上述(2)-(4)步骤。(7)将上述多个计数值K进行滤波，产生多个滤波后计数值。(8)根据上述滤波后计数值，找出具有最大滤波后计数值的最可能搜寻单元。(9)设定上述最可能搜寻单元为上述目标单元，以捕获上述全球定位系统卫星的定位信号。

本发明另一实施例提供一种捕获全球定位系统信号的方法，包含：首先，设定多个计数值，其中每一个计数值对应至定位信号的码相位段与频段。接着，重复接收单位时间中部分的上述多个计数值所对应的定位信号以及重复计算部分的上述多个计数值达预设次数。最后，找出上述多个计数值中最大的一个计数值，以利用其所对应的上述码相位段与上述频段捕获定位信号。

本发明更一实施例提供一种全球定位系统接收器，用以搜寻定位信号中多个搜寻单元的目标单元，搜寻单元可构成一个二维矩阵，其中每一列对应定位信号的一个码相位段，每一行对应定位信号的一个频段，多个计数值K分别对应至上述搜寻单元。全球定位系统接收器包括：天线模块、信号解码处理模块、检测器以及滤波器。天线模块用以接收卫星的该定位信号。信号解码处理模块用以于单位时间内所收到的检测频段信号与至少一对应码相位段进行解码，以产生至少一解码结果。检测器用以将上述解码结果与门坎值进行比对，当上述解码结果大于或等于上述门坎值时，上述检测器将上述对应计数值K加一，以及当上述解码结果小于上述门坎值时，上述检测器将上述对应计数值K减一。滤波器用以将上述多个计数值K进行滤波，以找出具有最大滤波后计数值的最可能搜寻单元，并设定上述最可能搜寻单元为上述目标单元。其中，当上述对应计数值K大于下限值时，信号解码处理模块与检测器重复解码与比对并改变上述对应计数值K达预设次数。

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是显示一示范的码相位及载频所组成的搜寻样本空间示意图。

图2是显示一依据本发明实施例的搜寻方法流程图。

图3显示图2示出的步骤S210与S220的更详细运算流程图。

图4是显示已知搜寻方法的流程图。

图5是显示依据本发明实施例的全球定位系统接收器示意图。

图6是显示依据本发明实施例的捕获全球定位系统信号的方法流程图。

具体实施方式

所须执行计算的搜寻单元总数与环境的参数有关。举例来说，若频段搜寻范围介于特定全球定位系统卫星的发射频段的+5K赫兹(Hz)到-5K赫兹之间、搜寻的频段宽度级数为1K赫兹、信号取样率为每秒5M赫兹且其预检测整合时间为1毫秒(ms)时，需搜寻11个频段以及5000个码相位段，因此共有55000个搜寻单元需要做搜寻。

图2显示一个依据本发明实施例的搜寻方法流程图200。假设图2采用如上述的环境参数，亦即需搜寻11个频段以及5000个码相位段，共有55000个待搜寻的搜寻单元10。依据本发明实施的搜寻方法可用于全球定位系统接收器，此全球定位系统接收器希望通过搜寻所有待搜寻单元以找到目标单元，通过这个目标单元来决定与上述特定全球定位系统卫星的相对距离与速度。上述待搜寻单元10可组成类似图1的具有多个码相位段2及多个频段4的二维矩阵1。

依据本发明实施的搜寻方法会先提供多个计数值K，分别存放在存储器不同的位置中，作为一个决策的标准。上述计数值K与上述待搜寻单元10有一对一的关系。而计数值K可以先给定初始值，譬如说，这初始值为1。

如图2所示，首先如步骤S210所示，全球定位系统接收器通过等待被搜寻频段中的一个检测频段，去接收于单位时间内所传送的信号。于步骤S220中，接收到的信号与某一频段内的所有搜寻单元10的对应相位段通过快速傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transformation)运算或相关运算分别进行解码，产生多个解码结果。举例来说，若这些解码结果构成解码向量D，表示某一频段内只有5个待搜寻单元C0～C4，其解码得到的解码向量D可表示为(10，20，30，20，15)，其中“10”表示搜寻单元C0的解码结果，“30”表示搜寻单元C2的解码结果，以此类推。接着，检查上述每一个解码结果是否符合一定条件，并据以改变其对应的相对的搜寻单元10的对应计数值K。对应此检测频段的解码结果(解码向量D)会被读入，并进行比对，以改变此检测频段中的搜寻单元所对应的数个计数值K。对一般全球定位系统接收器而言，此单位时间通常为1毫秒或其倍数。举例来说，解码向量D中每一搜寻单元10的解码结果将与一个特定的门坎值Vt做比对，再根据比对结果，去改变其对应的计数值K。步骤S210与S220的详细执行步骤请参考下述的图3说明。接着，步骤S240，先将步骤S220的计算结果，也就是对应的数个计数值K，储存，以便进行后续运算。

接着，判断是否已搜寻完所有频段，如步骤S250。若判断结果为否(步骤S250的否)，也就是还有频段尚待搜寻，则回到步骤S210接收从另一个检测频段来的单位时间的信号并重做步骤S210～S240，进行解码及比对，更新储存搜寻单元对应的计数值K。若所有频段都已经搜寻完毕(步骤S250的是)，所有的计数值K可以视为一个二维的计数值矩阵，其中每一个搜寻单元会对应到矩阵中的某一个计数值K。接着，对上述计数值矩阵进行二维滤波，如步骤S260。此二维滤波可通过一个滤波器来找出较大计数值K的部分，以做进一步处理。矩阵中有较大计数值K的部分，表示其对应的搜寻单元极可能是目标单元。其中，此滤波器可以是一个5阶的有限脉冲响应(FIR，FiniteImpulse Response)滤波器。举例来说，可利用有限脉冲响应滤波器来对上述计数值矩阵进行滤波，留下计数值K大于此特定值的部分。接着，再从滤波后的结果中找到最大值所在的搜寻单元，如步骤S270。此最大值所在的搜寻单元，或称最可能的搜寻单元，即定义为目标搜寻单元。最后，如步骤S280，再根据此目标单元对应的码相位段及频段，即可捕获此全球定位系统卫星的定位信号。

值得注意的是，若因大气扰动或多重路径的原因造成定位信号的强度过低，可能会造成比对后的计数值矩阵中的计数值K都太小，使得滤波器滤掉计数值矩阵中所有的计数值K，那就表示这特定全球定位系统卫星的信号实在太弱了，全球定位系统接收器根本接收不到。此时，便应该放弃对此特定全球定位系统卫星的搜寻，改搜寻其它全球定位系统卫星。另外，步骤S220可以一个搜寻单元接着一个搜寻单元的方式单独对每个搜寻单元进行解码，或对多个搜寻单元平行同时进行解码。举例来说，可一个接着一个对待搜寻单元组成的二维矩阵中的矩阵元素进行解码，也可同时平行对某一频段中的每一搜寻单元进行解码，以增快搜寻的速度。

另外，步骤S220中的比对可利用比较器，将某一搜寻单元的解码结果与门坎值Vt进行比对，并根据比对结果改变这搜寻单元的对应的计数值K。

图3显示依据本发明实施例的步骤S210与S220的运算流程图。步骤210与S220是对单一检测频段进行运算。步骤S210，如同先前所述，通过一个检测频段，去接收于一单位时间内所传送的信号。步骤S315，将接收到的信号与某一频段内的所有搜寻单元的对应相位段通过快速傅里叶变换运算或相关运算分别进行解码，产生多个解码结果，而这些解码结果构成解码向量D。如步骤S320所示，对应检测频段所求得的解码向量D中解码结果个别与门坎值Vt进行比对，判断解码向量D中的解码结果个别是否超过(大于等于)门坎值Vt，如步骤S330。若解码向量D中，有一个解码结果超过门坎值Vt，则将此解码结果的对应计数值K加1，如步骤S340。若解码向量D中，有一个解码结果小于门坎值Vt，则此解码结果的对应计数值K减1，如步骤S350。举例来说，假定检测频段内只有5个待搜寻单元C0～C4，且其解码得到的解码向量D为(10，20，30，20，15)，门坎值定为20时，此时每个相对应的计数值K都是初始值1，可以视为构成计数值向量P(1，1，1，1，1)。由于20、30的值大于等于门坎值，其计数值向量P中对应的计数值会被加一，而10、15小于门坎值，其计数值向量P中对应的计数值会被减一。因此，经过步骤S330的判断及步骤S340或S350后，计数值向量P变为(0，2，2，2，0)。其中，上述门坎值可依环境参数进行调整，以达到最佳的功效。

接着，再判断是否已执行到某一预设次数30次，如步骤S360。若尚未执行30次，如步骤S370，则跳回步骤S320继续读入下一单位时间的解码结果并进行比对，重复执行步骤S330～S360，改变对应的计数值K。基本上，这样的计数值改变希望执行预定次数，像此实施例中的30次。理论上，随着计数值改变次数增加，非目标单元的搜寻单元所对应的计数值K应该会趋于变小(因为相关性不良)，而只有目标单元的对应计数值K会一直增大(因为相关性优良)。然而，为了加速搜寻速度，一旦某一个计数值K被改变成0，就停止对于相对应搜寻单元进行重复的接收、解码、比对等高运算量的操作。所以，下次再重新计算时，会停止对这些计数值K为0的搜寻单元进行运算，亦即不会对这些搜寻单元做任何判断，其计数值K一值维持为0。譬如说，计数值向量P为(0，2，2，2，0)时，就只有搜寻单元C1～C3会再次经历接收、解码、比对的操作，搜寻单元C0与C4就此停止。若发现已执行到预设次数30次，如步骤S380，表示已经执行预设次数的运算，则此时停止所有运算。举例来说，经过运算后上述矩阵P变为(0，25，30，22，0)，储存于存储器中，如步骤S240所示，准备再做进一步的运算。其中，此预设次数可依环境参数进行调整，以符合系统的需求。

图4显示一种已知搜寻方法的流程图。由图示可知，此方法是一次对单一搜寻单元进行比对并改变其计数值K，若比对成功则将计数值K增加，比对失败则将计数值K减少。若比对成功多次，使得计数值K大于默认值A时，表示找到目标单元。反之，若计数值K为0时表示比对失败，才会接着移到下一搜寻单元，继续搜寻。对某些搜寻单元而言，需要经过长时间的比对才能确认是否为目标单元(K＝A)或是否搜寻失败(K＝0)，使得搜寻的时间变长。

相较于上述已知方法，本发明的搜寻方法可同时对数个搜寻单元进行比对，而且会在有限次数运算后即可找到目标单元。举例来说，如图3所示，对每个搜寻单元而言，可在30次运算后判断是否为此目标单元。因此，可大幅缩短搜寻的时间，更有效快速地达到定位的目的。如此可避免已知方法需要经过长时间的比对才能确认的问题。

图6显示一依据本发明实施例的捕获全球定位系统信号的方法流程图。步骤S610，全球定位系统接收器先设定多个计数值，其中每一个计数值对应至定位信号的码相位段与频段。码相位段与频段请参考图1的说明。接着，步骤S620，接收单位时间中部分的上述多个计数值所对应的定位信号以及计算部分的该多个计数值。其次，步骤S630，判断是否达预设次数。如果未达预设次数(步骤S630的否)，则回到步骤S620，重复接收单位时间中部分的上述多个计数值所对应的定位信号以及重复计算部分的上述多个计数值。如果已达预设次数(步骤S630的是)，如步骤S640，找出上述多个计数值中最大的一个计数值。最后，步骤S650，利用最大的一个计数值所对应的码相位段与频段捕获定位信号。

举例来说，假设共有10个码相位段与10个频段需要进行搜寻，且预定搜寻10个单位时间。因此，首先会先设定100个计数值，其中每一个计数值对应至定位信号的码相位段与频段。接着，接收单位时间中部分的100个计数值所对应的定位信号以及计算其对应的计数值。其中，每次计算包含将所接收到的至少一定位信号与所对应的码相位段同时进行解码，以产生至少一解码结果，并且将此解码结果与门坎值比对，并根据比对结果改变其对应的计数值。解码可利用快速傅里叶变换运算或相关运算。其中，当解码结果大于或等于门坎值时，对应的计数值会加一，当解码结果小于门坎值时，对应的计数值则会减一。接下来判断是否达到预设次数10次。如果未达10次，则重复接收下一单位时间中部分的多个计数值所对应的定位信号以及重复计算部分的上述多个计数值。其中，只有当对应的计数值大于下限值时，才会重复接收与计算步骤。举例来说，如果下限值为0，则上述多个计数值中计数值为0的部分就不会再重复接收及计算。因此，部分的计数值将会被改变。如果重复接收与计算已经到预设次数10次，可以对这些计数值进行滤波，以找出最后得到的100个计数值中最大的一个计数值。然后，就可以利用此最大的计数值所对应的码相位段与频段来捕获定位信号。其中，上述滤波可利用有限脉冲响应滤波法进行滤波。同样地，门坎值也可依环境参数进行调整。

图5显示一依据本发明实施例的全球定位系统接收器示意图。全球定位系统接收器5包括一个全球定位系统天线模块50、一个信号解码处理模块52、一个检测器54以及一个滤波器56。全球定位系统天线模块50可以接收某一卫星的定位信号SV。信号解码处理模块52将数个搜寻单元所对应的检测频段于单位时间内所收到信号与搜寻单元的对应码相位段个别进行解码，以产生数个解码结果，这些解码结果构成解码向量。举例来说，信号处理模块52可以包括有快速傅里叶变换运算模块或相关器(correlator)。因此，接收到的信号会通过快速傅里叶变换(FFT)运算模块及相关器(correlator)，与每个搜寻单元的对应码相位段进行相关运算产生相关值，就是解码结果。而这些解码结果组成解码向量，送到检测器54中。接着，检测器54将解码向量里的解码结果(相关值)与门坎值Vt进行个别比对，并根据运算结果改变搜寻单元对应的数个计数值K。其中，当上述计数值K不等于下限值时，检测器54会重复接收信号、比对解码结果(相关值)与门坎值Vt、并改变计数值K一预设次数。其中，检测器可包括有一个比较器542，用以将每一搜寻单元的解码结果与门坎值Vt进行比对。举例来说，若此下限值为0且预设次数为30次时，若计数值K的值不为0，检测器54会重复比对并改变搜寻单元对应的计数值K共30次。滤波器56再将所有搜寻单元对应的计数值K进行滤波，根据滤波后的结果，找出具有最大值的最可能搜寻单元，并定义此最可能搜寻单元为目标单元。最后，再利用此目标单元所代表的时间差及频段差捕获该卫星的定位信号，再由该卫星的定位信号求得全球定位系统接收器与此特定全球定位系统卫星的相对距离及相对速度信息。

上述说明提供数种不同实施例或应用本发明的不同特性的实施例。实例中的特定装置以及方法是用以帮助阐释本发明的主要精神及目的，当然本发明不限于此。

因此，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种搜寻全球定位系统信号的方法，用以搜寻针对全球定位系统卫星定位信号的多个搜寻单元中的目标单元，上述搜寻单元可构成一个二维矩阵，其中每一列对应上述定位信号的一个码相位段，每一行对应上述定位信号的一个频段，上述搜寻方法包括下列步骤：

(1)提供多个计数值K，分别对应上述多个搜寻单元；

(2)于检测频段接收单位时间内的定位信号；

(3)将上述接收到的定位信号与至少一对应的码相位段同时进行解码，以产生至少一解码结果；

(4)将上述解码结果与门坎值比对，当上述解码结果大于或等于上述门坎值时，将上述对应的计数值K加一，以及当上述解码结果小于上述门坎值时，将上述对应的计数值K减一；

(5)当上述对应的计数值K大于下限值时，重复执行上述(2)-(4)步骤达预设次数；

(6)检查是否针对所有上述搜寻单元已经进行了上述(2)-(4)步骤；

(7)将上述多个计数值K进行滤波，产生多个滤波后计数值；

(8)根据上述滤波后计数值，找出具有最大滤波后计数值的最可能搜寻单元；以及

(9)设定上述最可能搜寻单元为上述目标单元，以捕获上述全球定位系统卫星的定位信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中上述滤波是利用有限脉冲响应滤波法进行滤波。

3.根据权利要求1所述的方法，其中上述解码包含以下步骤之一及其任意组合：

快速傅里叶变换运算；以及

相关运算。

4.一种全球定位系统信号接收器，用以搜寻定位信号中多个搜寻单元的一目标单元，上述搜寻单元可构成一个二维矩阵，其中每一列对应上述定位信号的一个码相位段，每一行对应上述定位信号的一个频段，多个计数值K分别对应至上述搜寻单元，上述接收器包括：

天线模块，用以接收卫星的该定位信号；

信号解码处理模块，用以于单位时间内所收到的检测频段信号与至少一对应码相位段进行解码，以产生至少一解码结果；

检测器，用以将上述解码结果与门坎值进行比对，当上述解码结果大于或等于上述门坎值时，上述检测器将上述对应计数值K加一，以及当上述解码结果小于上述门坎值时，上述检测器将上述对应计数值K减一；以及

滤波器，用以将上述多个计数值K进行滤波，以找出具有最大滤波后计数值的最可能搜寻单元，并设定上述最可能搜寻单元，为上述目标单元，

其中当上述对应计数值K大于下限值时，上述信号解码处理模块与上述检测器重复解码与比对并改变上述对应计数值K达预设次数。

5.根据权利要求4所述的全球定位系统信号接收器，其中上述检测器具有至少一比较器，用以将上述解码结果与上述门坎值进行比对。

6.根据权利要求4所述的全球定位系统信号接收器，其中上述滤波器为有限脉冲响应滤波器。

7.根据权利要求4所述的全球定位系统信号接收器，其中上述信号解码处理模块包含下列元件之一及其任意组合：

快速傅里叶变换运算模块；

相关器。

8.一种捕获全球定位系统信号的方法，包含：

设定多个计数值，其中每一个计数值对应至定位信号的码相位段与频段；

重复接收单位时间中部分的该多个计数值所对应的定位信号以及重复计算部分的该多个计数值达预设次数；以及

找出该多个计数值中最大的一个计数值，以利用其所对应的该码相位段与该频段捕获定位信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其中上述的每次计算包含：

将上述所接收到的至少一定位信号与所对应的码相位段同时进行解码，以产生至少一解码结果；以及

将上述解码结果与门坎值比对，当上述解码结果大于或等于上述门坎值时，将上述对应的计数值加一，以及当上述解码结果小于上述门坎值时，将上述对应的计数值减一。

10.根据权利要求8所述的方法，其中当上述对应的计数值大于下限值时，重复该接收与计算步骤。

11.根据权利要求8所述的方法，还包含对该多个计数值进行滤波以找出该多个计数值中最大的一个计数值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中上述滤波是利用有限脉冲响应滤波法进行滤波。

13.根据权利要求9所述的方法，其中上述解码包含下列步骤之一及其任意组合：

快速傅里叶变换运算；以及

相关运算。

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