CN1877359A - 用于在全球导航卫星系统中获取信号的方法和设备 - Google Patents

用于在全球导航卫星系统中获取信号的方法和设备 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于通过导航终端获取由全球导航卫星系统(GNSS)的卫星广播的导航信号的方法。通信信道使得邻近终端能够交换信息并构成一个网络，以提供辅助并使得终端能够通过共享其各自的资源以及参与在执行获取阶段中所涉及的计算操作来进行协作，其中获取阶段用于调谐到来自可视卫星的导航信号。本方法可以应用于任何全球导航卫星系统。

Description

用于在全球导航卫星系统中获取信号的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请基于07/06/2005提交的法国专利申请No.0551526，在此将其全部公开内容通过参考引入，并要求其优先权。
技术领域
本发明涉及一种用于在全球导航卫星系统(GNSS)中获取信号的方法。
背景技术
在诸如全球定位系统(GPS)之类的全球导航卫星系统中，卫星星座的每个卫星广播一个携带时间和日期信息的信号，由于是从安装在卫星上的原子钟得到的，因此这种时间和日期信息非常精确。在下文中将这种信号称作导航信号。导航信号是通过伪随机扩频码对载波进行调制的结果，并且在可应用的情况下也通过导航消息对载波进行调制。扩频码用于区分不同的导航信号。
导航终端的接收机必须从至少三颗卫星获取导航信号，以便确定该导航终端在全球绝对坐标系统中的三维空间中的位置。
如果不能精确地知道世界时间(universal time)，则导航终端的接收机必须获取第四个导航信号。
实际上，利用由所获取的信号所携带的信息进行的复杂计算能够使得终端确定其位置，并因此解决定位问题。
这不是本发明想要解决的问题，本发明要解决的问题是获取由可视卫星所发送的信号的问题。
在所说的定位过程之前的初始阶段中，终端获取由卫星广播的导航信号，以便能够利用这些信号进行定位过程的计算。本发明涉及该初始阶段，其可以称为导航信号获取阶段，并且也涉及计算。
本发明涉及通过称作导航终端的接收机终端获取由卫星发送的GNSS信号。
GNSS信号的获取需要进行时间和频率扫描，以将所接收的信号在是信噪比(S/N)的函数的特定时间段上与所需信号的副本相关。低S/N比需要较长的相关时间，这导致较高的频率步进分辨率(stepresolution)，并且因此针对相同的多普勒(Doppler)动态范围(多普勒现象与卫星和/或终端的移动相关联)要扫描更多数目的频率。
然而，相关时间还受到终端的频率基准的精确度的限制。
在下文中将载波频率和扩频码相对于一个频率和时间基准的相位称为导航信号调谐参数。
导航终端在获取导航信号中的主要问题是将要执行的处理操作的数目，这个数目与信噪比成反比。
针对这一问题的第一种现有技术的解决方案增加了在每个终端中并行操作的相关器的数目。这种解决方案的缺点是增加了电子电路的逻辑复杂性，并且增加了接收机的消耗(dissipation)。
第二种现有技术的解决方案利用基站来向终端提供辅助，其中基站通过将可视卫星的身份和用于与这些卫星相关联的导航信号的调谐参数传送给终端来提供辅助。
必须将基站的时间/频率基准广播给终端，以使这些终端可以利用辅助信息。基站与终端通过由蜂窝连接或其他连接提供的射频(RF)链路进行通信，以使得能够传送辅助信息和时间/频率同步信息。
第二种解决方案的缺点是射频链路对干扰的敏感性，特别是在传输时间/频率基准时尤其如此。而且，这种类型的链路需要特别宽的带宽用于传输精确的时间/频率同步(将时间同步到几十毫微秒内需要100MHz量级的带宽)。
此外，即使提供辅助的基站与其所辅助的终端一样对干扰敏感，该基站也必须首先从可视卫星获取导航信号。
因此，当信噪比较低时并且在可接受的时间段内(几十秒的量级)获取导航信号仍然是个问题。获取阶段意味着与信噪比成反比的大量处理负担。
因此，如果信噪比较低，没有一种现有技术的解决方案可以取得令人满意的导航信号获取性能(就获取时间、非获取的概率、错误获取的概率、所需的计算能力而言)。
本发明所解决的问题是，在不管信噪比如何并且不增加导航终端的计算能力的情况下，改善导航信号获取阶段的性能的问题。
本发明通过构造邻近终端的网络，解决了上述问题，其中邻近终端经由射频链路信道进行通信，为完成用于实现获取阶段的计算而进行协作。
如果终端之间分隔开扩频码调制的几个波长(定义为“码片”长度)，则这些终端是“邻近的(nearby)”。例如，在GPS中，对于1.023MHz的调制频率的码片长度为300m。
与现有的方法相比，这一解决方案在不增加获取阶段的持续时间的情况下取得了所需要的灵敏度、以及针对干扰的健壮性和快速的获取。
这一解决方案还为将进入网络的新进终端(incoming terminal)调谐(tune)到该网络已经调谐到的导航信号提供了一种本地且自主的辅助。
反过来，网络也可以继承已由进入网络的新进终端获取到的调谐参数。
发明内容
本发明更特别地包括一种通过导航终端获取由全球导航卫星系统(GNSS)的卫星广播的导航信号的方法，所述方法包括：
·经由通信信道在多个邻近终端之间传送信息，所述多个邻近终端具有形成公共基准的时间和频率同步，并因此形成一个同步的网络；以及
·在所得到的网络的终端之间进行协作，以确定来自每颗可视卫星的导航信号相对于公共时间和频率基准的调谐参数，所述协作包括：
-管理对终端各自资源的共享，使得每个终端都参与在确定导航信号调谐参数中所涉及的计算；以及
-通过所述通信信道传输所得到的导航信号调谐参数结果，以便网络的终端调谐到来自可视卫星的信号。
管理资源共享包括根据每个终端的资源分配一个或多个扫描任务。
分配扫描任务包括共享一个全局时间和频率扫描空间。
共享所述全局时间和频率扫描空间包括使多个范围交迭。
共享所述频率扫描空间包括将在其中有可能接收到来自可视卫星的导航信号的频率范围划分为多个子集。
共享所述时间扫描空间包括将在其中有可能找到对由可视卫星所发送的载波进行调制的扩频码相对于时间基准的相位的时间范围划分为多个子集。
在一个实施方式中，资源共享有利地由主终端进行管理，该主终端适于在所有可用的计算资源之间最佳地划分以及分发在执行导航信号获取阶段中所涉及的处理；通过通信信道进行的传输有利地包括传输网络的终端的部分处理结果，以便网络的主终端确定导航信号调谐参数；以及通过通信信道进行的传输有利地包括将导航信号调谐参数从主终端传输到网络的其他终端以辅助所有终端调谐到可视卫星。
在该实施方式的变型中，管理资源共享涉及一个主要的主终端以及一个或多个次要的主终端，这些次要的主终端适于在该主要的主终端不可用的情况下替代该主要的主终端。
所述信息的传送还包括传送辅助信息，诸如可视卫星的身份、可视卫星的调谐信号(即频率和码相位)以及如果使用了导航消息，则导航消息。
所述信息的传送也包括管理终端到网络的进入和终端从网络的退出，以及评估终端的接近度，并且所述辅助是从网络对新进终端的辅助或从新进终端对网络的辅助。
所述辅助可以包括由远程基站向网络传送导航消息。
在本方法的变型中，所述信息的传送包括中继服务，其使得经由网络的终端(其因此附加提供传输中继功能)在网络的远程终端之间实现点到点路由。
终端的时间同步可以使用绝对时间基准或相对时间基准。
本发明还提供一种卫星导航终端，其适于使用全球导航卫星系统(GNSS)并包括：
-收发信机，使得卫星导航终端能够经由通信信道与包括其他邻近终端的网络进行通信，以传输信息使得所述终端能够协作以获取由任何可视卫星发送的导航信号；
-时间/频率基准，用于与网络的其他终端进行时间和频率同步；
-计算模块，适于执行一个或多个获取阶段任务以获取来自可视卫星的导航信号；
-管理模块，用于管理所传送的信息，以控制计算模块根据网络的终端所传送的信息来确定需要执行的任务。
收发信机还适于发送或接收辅助信息。
管理模块可以具有用于所得到网络的传输中继功能。
时间/频率基准可以由微型原子钟来提供。
本发明还提供一种卫星导航终端的网络，其适于使用全球导航卫星系统(GNSS)并适于执行上述用于获取来自任何可视卫星的导航信号的方法，所述网络包括多个上面所描述的终端。
通过阅读以下借助于说明性且非限制性的示例以及参考附图所给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得非常明显。
附图说明
图1是适于实现本发明的获取方法的终端的网络的示图。
图2是本发明的终端的示图。
具体实施方式
如下文中所展现的，本发明的获取方法通过构造终端的网络并共享这些终端的资源以及在某些情形下结合使获取简单化的双向辅助(从网络到进入网络的新进终端或从进入网络的新进终端到网络)，提高了获取的性能。在信噪比很低的情况下也可以由基站提供辅助。
本发明方法通过一种在下文中描述的同步导航终端的网络来实现。
图1中示出的导航终端T1-Tn代表本发明意义下的形成网络R的邻近终端。网络R由在时间上和在频率上同步并且能够通过构成通信信道C的射频链路传送信息的多个终端形成。
终端TE代表进入该网络的新进终端，并且终端TS代表离开该网络的退出终端(outgoing terminal)。全球导航卫星系统的卫星S1从网络R看可视，而卫星Sn不可视。
现在参考图2，即导航终端Tn的示图。
图1中表示的每个终端T1-Tn都基于图2的示图。
因此，每个终端都配备有使其能够在该网络内进行通信的收发信机E/R以及超稳定的时间/频率基准H，例如微型原子钟。
每个终端还具有无线导航设备RN，该无线导航设备RN特别地包括相关计算模块MC，模块MC能够执行在从可视卫星获取导航信号时涉及的标准相关计算。然而，根据本发明，每个终端的模块MC并不执行所有的计算，如下文所说明的，这些计算将在该网络的终端之间进行划分。
无线导航设备RN是常规的设备，并且因此在此不对其进行详细描述。根据本发明，终端附加地包括管理模块MG，该模块MG用于管理在该网络上经由通信信道C传送的信息I。
终端之间的通信使得可以对辅助信息和与该网络的每个终端的资源可用性有关的信息I进行传输。
管理模块MG利用由其终端接收到的信息来控制计算模块MC，以便通过共享计算资源在终端之间进行协作，从而实现获取由可视卫星发送的信号的阶段。
资源共享体现为对覆盖全局时间和频率扫描空间的计算任务的共享。
例如，这些计算可以划分为n个任务P1-Pn，每个任务对应于一个时间/频率扫描范围。具有较多计算资源的终端可以负责多个处理任务。为了能够考虑到关于终端的时间/频率同步的不确定性以及终端之间的距离对所估计的扩频码的相对相位的影响，两个在时间上或在频率上相邻的扫描范围可以共享一个交迭区域。
考虑到多普勒效应，频率扫描范围对应于在其中有可能接收到导航信号的载波的频率范围Fmin-Fmax的一个子集。
时间扫描范围对应于将在其中有可能找到以扩频码周期为模的所接收的导航信号的扩频码相对于时间基准的相位的时间段划分为多个子集。
在一个实际的实施方式中，以上述方式构成的网络的终端之一成为主终端。在这种情况下，该主终端的管理模块MG根据所接收的信息对任务到每个终端的分配作出决定。
优选地，主终端以一种协调的方式管理该网络的各个终端的资源，在所有可用的计算资源之间，对执行导航信号获取阶段中所涉及的处理操作进行最佳的划分以及分发。
该网络的终端通过通信信道传输部分处理结果以便网络的主终端确定导航信号调谐参数。随后，主终端能够通过通信信道向网络中的其他终端传输导航信号调谐参数以便辅助所有终端调谐到可视卫星。
一个不同的实施方式使用一个主要的主终端以及一个或多个次要的主终端。在这种情况下，这些次要的主终端冗余地执行由该主要的主终端所执行的操作(资源分配和调谐参数选择)，以便监控该主要的主终端并能够在该主要的主终端变得不可用时(发生故障或离开网络)接管其操作。
可以通过终端之间的仲裁来选择同步网络的主终端，这些终端出于这种目的而通过通信信道进行通信。
在另一个实施方式中，可以在多次信息交换以协调终端之后分配资源，其中每个终端在不了解每个其他终端的可用性的情况下承担一个或多个任务的职责。
基于所使用的时间基准，可以以两种方式完成该网络的终端的时间同步。时间基准可以是绝对的或相对的。
在绝对时间基准的情况下，终端有权使用世界时间基准。
在相对时间基准的情况下，终端各自具有通过(例如在RF链路上)发送脉冲实现同步的本地时间基准。
实际上，操作如下：
-如果该网络的终端并且因此该网络本身没有调谐到可视卫星，则对终端所执行的操作进行协调以具有交迭的扫描范围来分发获取导航信号所需的处理操作。
-然后，在通信信道上广播相关结果以及有关该导航信号的获取阶段的结论。
-该网络的所有终端利用这些调谐参数完成到导航信号的调谐。
-随后该网络调谐到可视卫星。
-对于每个新的可视卫星重复上述步骤。
-当终端进入已调谐到可视卫星的网络时，该终端可以得益于由该网络提供的辅助，该辅助包括可视卫星的身份、码相位和频率辅助。因此，对于新进终端，在给定其与网络其他终端的接近度和时间/频率调谐的精确度的情况下，由于只需要扫描在作为由网络提供辅助的结果所得到的值周围的很少几个时间/频率值，所以获取非常迅速。
-反过来，已经以上述方式构造的网络可以得益于由新进终端针对该网络还没有调谐到的卫星而预先估计的调谐参数。在这种情况下，是网络从由新进终端所提供的辅助中获益。
在本发明方法的一个用在S/N比很低(例如低于35dBHz)的情况下的不同实施方式中，通过一个具有较好S/N比(例如50dBHz的量级)的远程站SB来传送从卫星接收的导航消息，相干相关时间可以扩展超过导航消息调制的符号周期(在GPS的情况下为20ms)。在这种情况下，终端必须具有用于存储所接收信号样本的缓冲器，以便离线消除导航消息的调制。
然后根据离基准站的距离，可知导航消息比特转换时间在几分之一毫秒以内。因此与转换时间周围的保护时间相一致，以考虑到关于时间同步的不确定性以及基站与终端之间的距离，该网络的终端可以将相干相关时间在导航消息(在GPS的情况下为20ms)的多个比特时间上扩展。
因此，在这一实施方式中，同样具有很精确的时间同步的远程基站SB通过传送导航消息(即对载波进行调制的第二信号)为网络提供辅助。接着，终端能够从所接收的信号中去掉该信号并在导航消息调制的多个符号周期上进行相干积分。
这一实施方式消除了比特时间限制，并且然后在GPS的情况下积分周期可以大于20ms。
在本发明方法的一个不同实施方式中，终端还可以具有传输中继功能，以便突破传输信道范围的限制。因此，创立中继服务以在网络的两个终端相距太远时提供点到点的路由。
与标准GNSS接收机相比，在终端中使用超稳定的时间/频率基准(诸如原子钟)显著地增加了相关时间。
此外，由于在多个终端之间共享计算负担，所以在不直接增加终端级的计算能力的情况下，本发明的方法减少了获取时间，增加了相关时间，并因此提高了灵敏度。
本发明的方法还实现了针对干扰的健壮性、快速的获取以及在用于时间同步的时间基准是绝对基准时执行定位(即确定地点)所需卫星数目的减少(从4颗减少到3颗)。
因该时间基准众所周知，因此本发明改善了确定地点的精确度。

Claims (18)

1.一种用于通过导航终端获取由全球导航卫星系统(GNSS)的卫星广播的导航信号的方法，所述方法包括：
·经由通信信道在多个邻近终端之间传送信息，所述多个邻近终端在时间和频率上同步，并因此形成一个同步的网络；以及
·在所述网络的终端之间进行协作，以确定来自每颗可视卫星的所述导航信号相对于它们的公共时间和频率基准的调谐参数，所述协作包括：
-管理对所述终端各自资源的共享，使得每个终端都参与用于确定所述导航信号调谐参数的计算；以及
-通过所述通信信道传输所得到的所述导航信号调谐参数结果，以便所述网络的所述终端调谐到来自所述可视卫星的信号。
2.根据权利要求1所述的获取方法，其中管理资源共享包括根据每个终端的所述资源分配一个或多个扫描任务。
3.根据权利要求2所述的获取方法，其中分配扫描任务包括共享一个全局时间和频率扫描空间。
4.根据权利要求3所述的获取方法，其中共享所述全局时间和频率扫描空间包括使多个范围交迭。
5.根据权利要求3所述的获取方法，其中共享所述频率扫描空间包括将在其中有可能接收到来自可视卫星的所述导航信号的频率范围划分为多个子集。
6.根据权利要求3所述的获取方法，其中共享所述时间扫描空间包括将在其中有可能找到对由可视卫星发送的载波进行调制的所述扩频码相对于时间基准的相位的时间范围划分为多个子集。
7.根据权利要求1所述的获取方法，其中：
-由主终端管理资源共享，所述主终端适于在所有可用的计算资源之间最佳地划分以及分发在执行导航信号获取阶段中涉及的处理；
-通过所述通信信道进行的传输包括传输所述网络的所述终端的部分处理结果，以便所述网络的所述主终端确定所述导航信号调谐参数；以及
-通过所述通信信道进行的传输包括将导航信号调谐参数从所述主终端传输到所述网络的其他终端以辅助所有终端调谐到所述可视卫星。
8.根据权利要求7所述的获取方法，其中管理资源共享涉及一个主要的主终端以及一个或多个次要的主终端，所述次要的主终端适于在所述主要的主终端不可用的情况下替代所述主要的主终端。
9.根据权利要求1所述的获取方法，其中所述信息的传送还包括传送辅助信息，诸如所述可视卫星的身份、所述可视卫星的所述调谐信号(即频率和码相位)以及所述导航消息，如果使用了导航消息的话。
10.根据权利要求1或9所述的获取方法，其中所述信息的传送包括管理终端对所述网络的进入和终端从所述网络的退出，以及评估终端的接近度，并且所述辅助是从所述网络对新进终端的辅助或从新进终端对所述网络的辅助。
11.根据权利要求9所述的获取方法，其中所述辅助包括由远程基站向所述网络传送所述导航消息。
12.根据权利要求1所述的获取方法，其中所述信息的传送包括中继服务，其使得经由所述网络的终端在所述网络的远程终端之间实现信息的点到点路由，所述网络的终端因此附加提供传输中继功能。
13.根据权利要求1所述的获取方法，其中所述终端的所述时间同步可以是绝对的或相对的。
14.一种卫星导航终端，适于使用全球导航卫星系统(GNSS)并包括：
-收发信机，使得所述卫星导航终端能够经由通信信道与包括其他邻近终端的网络进行通信，以传输信息使得所述终端能够协作以获取由任何可视卫星发送的导航信号；
-时间/频率基准，用于与所述网络的其他终端进行时间和频率同步；
-计算模块，适于执行一个或多个获取阶段任务以获取来自可视卫星的导航信号；
-管理模块，用于管理所传送的信息，以控制所述计算模块，以根据由所述网络的所述终端所传送的信息来确定需要执行的所述任务。
15.根据权利要求14所述的导航终端，其中所述收发信机适于发送或接收辅助信息。
16.根据权利要求14所述的导航终端，其中所述管理模块具有用于所得到网络的传输中继功能。
17.根据权利要求14所述的导航终端，其中所述时间/频率基准由微型原子钟来提供。
18.一种卫星导航终端的网络，适于使用全球导航卫星系统(GNSS)并适于执行根据权利要求1所述的用于获取来自任何可视卫星的导航信号的方法，所述网络包括多个根据权利要求14所述的终端。
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