DE19630722A1 - Satellite navigation receiver device for reprocessing satellite signals - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Satellitennavigationsempfangsgerät mit einer Empfängerstufe zum Empfang und zur Aufarbeitung eines Satellitensignals mit einem veränderbaren Trägerfrequenzgene rator zur Erzeugung einer der Trägerfrequenz des aufgearbeite ten Satellitensignals entsprechenden Frequenz, mit der das Satellitensignal in wenigstens einer Trägerfrequenzmischstufe gemischt wird, mit einem veränderbaren Codegenerator zur Er zeugung eines mit einem Code in dem Satellitensignal nach Fre quenz und Phase übereinstimmenden Codes, mit einer Auswer tungsstufe zur Feststellung der Übereinstimmung der vom Trä gerfrequenzgenerator und vom Codegenerator erzeugten Signale mit dem Satellitensignal, mit einer Steuerschaltung zum ex perimentellen Auffinden einer ungefähr mit dem Satelliten signal übereinstimmenden Trägerfrequenz und eines geeigneten Codes, der nach Frequenz und Phase ungefähr mit dem Satelli tensignal übereinstimmt, und mit Regelstufen zur anschließen den Nachregelung des Trägerfrequenzgenerators und des Code generators zur Herstellung einer verbesserten Übereinstimmung mit dem Satellitensignal. The invention relates to a satellite navigation receiver a receiver level for receiving and processing a Satellite signal with a changeable carrier frequency genes rator for generating one of the carrier frequency of the refurbished th satellite signal corresponding frequency with which Satellite signal in at least one carrier frequency mixer is mixed with a changeable code generator for Er generation of one with a code in the satellite signal according to Fre codes and phase matching codes, with an extractor level to determine the conformity of the gerfrequenzgenerator and signals generated by the code generator with the satellite signal, with a control circuit for ex experimental finding one roughly with the satellite signal matching carrier frequency and a suitable one Codes based on frequency and phase approximately with the Satelli tens signal matches, and with control stages to connect the readjustment of the carrier frequency generator and the code generator to produce an improved match with the satellite signal.
Für die Satellitennavigation strahlen die Satelliten Signale auf einer festen Trägerfrequenz ab. Im GPS-System beträgt die se Trägerfrequenz 1.575,42 MHz. Für militärische Anwendungen wird eine zweite Trägerfrequenz von 1.227,60 MHz verwendet, deren Code-Information für zivile Anwendungen nicht zugänglich ist.The satellites emit signals for satellite navigation on a fixed carrier frequency. In the GPS system this is Carrier frequency 1,575.42 MHz. For military applications a second carrier frequency of 1,227.60 MHz is used, whose code information is not accessible to civil applications is.
Auf dieser Trägerfrequenz wird ein Codesignal übertragen, das ebenfalls mit einer vorgegebenen Frequenz ausgesandt wird, und zwar für zivil verwendbare Codes mit einer Frequenz von 1,023 MHz. Der im GPS-System als Gold-Code ausgebildete Code besteht aus binären Impulsen, wobei eine digitale Information in Phasensprüngen der Sinuswellen enthalten ist. Jeder Satel lit strahlt seinen eigenen Code aus, der der Erkennung dieses Satellits und der Zuordnung des Signals zu der im Empfänger bekannten Position des Satellits dient.A code signal is transmitted on this carrier frequency is also transmitted at a predetermined frequency, and for codes with a frequency of 1.023 MHz. The code formed as a gold code in the GPS system consists of binary pulses, being a digital information is contained in phase jumps of the sine waves. Every satellite lit emits its own code that recognizes this Satellites and the assignment of the signal to that in the receiver known position of the satellite is used.
Die Auswertung des Satellitensignals im Empfangsgerät setzt eine einwandfreie Verarbeitung des Satellitensignals voraus. Hierfür ist es erforderlich, das Satellitensignal möglichst exakt von der Trägerfrequenz zu befreien. Für eine parallele Auswertung von Signalen mehrerer Satelliten besitzt ein Empfangsgerät in der Regel mehrere Empfangskanäle, wobei in jedem Kanal ein Trägerfrequenzgenerator und ein Codegenerator verwendet wird. Der Trägerfrequenzgenerator wird jeweils auf die Trägerfrequenz des Satellitensignals eingeregelt, um durch Multiplikation des Satellitensignals mit der Trägerfre quenz das demodulierte Codesignal zu erzeugen. Im Empfänger sind mehrere Codegeneratoren vorhanden, die in parallelen Ka nälen die Codes verschiedener, für das Empfangsgerät in Be tracht kommender Satelliten erzeugen. Die für die Navigation erforderliche Ermittlung der Entfernung zum Satelliten ge schieht über eine Laufzeitbestimmung des Satellitensignals durch Messung einer Phasenverschiebung. Die hierfür verwende ten Algorithmen und Maßnahmen sind allgemein bekannt und kön nen beispielsweise dem Buch Frank Schrödter "GPS-Satelliten- Navigation", Poing 1994, entnommen werden. The evaluation of the satellite signal in the receiving device sets proper processing of the satellite signal ahead. For this it is necessary to use the satellite signal as much as possible to get rid of the carrier frequency exactly. For a parallel Evaluation of signals from several satellites has one Receiving device usually several receiving channels, whereby in a carrier frequency generator and a code generator for each channel is used. The carrier frequency generator is each adjusted to the carrier frequency of the satellite signal in order to by multiplying the satellite signal by the carrier frequency quenz to generate the demodulated code signal. In the receiver there are several code generators in parallel Ka the different codes for the receiving device in Be to produce traditional satellites. The one for navigation necessary determination of the distance to the satellite ge happens via a runtime determination of the satellite signal by measuring a phase shift. Use the one for this algorithms and measures are generally known and can For example, the book Frank Schrödter "GPS satellite Navigation ", Poing 1994.
Der für die Identifizierung der Satelliten gewählte Code, bei spielsweise Gold-Code, ist so ausgebildet, daß er eine ausge prägte Autokorrelationsfunktion aufweist. Die Feststellung, ob der im Codegenerator erzeugte Code mit dem Code im Satelliten signal übereinstimmt, kann daher durch eine Korrelation in einer Auswertungsstufe erfolgen. Die Nachregelung der im Emp fänger erzeugten Trägerfrequenz und Codefrequenz ist erforder lich, weil das Satellitensignal einerseits gestört sein kann, andererseits aufgrund einer relativen Bewegung zwischen Satel lit und Empfangsgerät Dopplerverschiebungen auftreten.The code chosen to identify the satellites, at for example gold code, is designed so that it has a characterized autocorrelation function. The determination of whether the code generated in the code generator with the code in the satellite signal matches, can therefore be determined by a correlation in an evaluation level. The readjustment of the in the Emp Carrier frequency and code frequency generated for a longer period is required Lich because the satellite signal can be disturbed on the one hand on the other hand, due to a relative movement between satel lit and receiving device Doppler shifts occur.
Die Verarbeitung der empfangenen Satellitensignale erfolgt regelmäßig nach einer Umsetzung in eine Zwischenfrequenz durch einen für jeden Empfangskanal vorgesehenen mit einem Mikropro zessor verbundenen Korrelator. Eine Beschreibung eines derar tigen Korrelators und seiner Auswertungsfunktionen ist der Ad vance Information GP 2021 der Firma GEC Plessey Semiconductors vom Juni 1995 zu entnehmen. Danach wird das in die Zwischen frequenz umgesetzte Satellitensignal in zwei Zweigen mit einem von einem Trägerfrequenzgenerator erzeugten Trägerfrequenzsig nal einerseits und einem π/2 verschobenen Trägerfrequenzsignal andererseits gemischt, so daß ein I-Signal (in-line-Signal) und ein Q-Signal (quadrature-Signal) entsteht. Im abgegliche nen Fall gibt das I-Signal die Signalamplitude des Nutzsignals und das Q-Signal die Stärke des Rauschens wieder.The received satellite signals are processed regularly after a conversion to an intermediate frequency one for each receiving channel with a micropro processor related correlator. A description of a derar The correlator and its evaluation functions is the ad vance Information GP 2021 from GEC Plessey Semiconductors from June 1995. After that it will be in between frequency-converted satellite signal in two branches with one carrier frequency signal generated by a carrier frequency generator nal on the one hand and a π / 2 shifted carrier frequency signal mixed on the other hand so that an I signal (in-line signal) and a Q signal (quadrature signal) arises. In the matched NEN case, the I signal gives the signal amplitude of the useful signal and the Q signal the strength of the noise again.
Beide Signale werden mit Ausgangssignalen eines Codegenerators gemischt. Hierzu wird ein eingeregeltes Ausgangssignal (punctual) und ein modifiziertes Signal (tracking signal) ver wendet, wobei das modifizierte Signal ein um π/2 nach vorn (early) oder nach hinten (late) verschobenes oder aus der Dif ferenz dieser beiden Signale gebildetes Signal sein kann.Both signals are output with a code generator mixed. For this purpose, a regulated output signal is used (punctual) and a modified signal (tracking signal) ver turns, with the modified signal forward by π / 2 (early) or postponed (late) or out of the dif Reference of these two signals can be formed signal.
Es entstehen somit vier Signale, die Code-Korrelationsstufen zugeführt werden. Durch Auswertung der Korrelationssignale werden Regelsignale für die Regelstufe des Trägerfrequenzgene rators und für die Regelstufe des Codegenerators erstellt. Da die Eingangsgrößen beider Regelstufen sowohl von der Anpassung der Trägerfrequenz als auch der Codefrequenz abhängig sind, kann eine Interferenz zwischen beiden Regelstufen entstehen. Außerdem können die kurzen Reaktionszeiten der Regelstufen zu Überschwingreaktionen führen, so daß der Empfänger zu Instabi litäten und somit zu einer verringerten Meßgenauigkeit und längeren Einschwingphase der Regelstufen neigt.There are thus four signals, the code correlation levels be fed. By evaluating the correlation signals are control signals for the control stage of the carrier frequency genes rators and for the control level of the code generator. There the input variables of both control levels both from the adjustment the carrier frequency and the code frequency are dependent, there may be interference between the two control levels. In addition, the short response times of the control stages can increase Overshoot reactions cause the receiver to instabi lities and thus to a reduced measuring accuracy and prolonged settling phase of the control stages.
Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, die genann ten Nachteile der bekannten Satellitennavigationsempfangsge räte zumindest zu verringern.The invention is based on the problem, the so-called ten disadvantages of the known satellite navigation receiving advise at least to decrease.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist ein Satellitennaviga tionsgerät der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Regelstufe zur Korrektur eines Anfangsphasenfehlers des Codesignals des Codegenerators, eine zweite Regelstufe zur Korrektur eines Anfangsphasenfehlers des Trägerfrequenzsignals des Trägerfrequenzgenerators und eine dritte Regelstufe zur Korrektur von aktuellen Frequenzänderun gen zwischen zwei Abfragezeitpunkten ausgelegt ist.Starting from this problem is a satellite naviga tion device of the type mentioned according to the invention characterized in that a first control stage for correcting a Initial phase error of the code signal of the code generator, one second control stage for correcting an initial phase error of the Carrier frequency signal of the carrier frequency generator and one third control stage for the correction of current frequency changes between two times of the query.
Die erfindungsgemäße Trennung zwischen Phasenregelung und Fre quenzregelung vermeidet wesentliche Nachteile der bisherigen Regelungen. Nachdem durch einen Suchalgorithmus experimentell ungefähr übereinstimmende Trägerfrequenzsignale und Code signale ermittelt worden sind, kann ein Anfangsphasenfehler für das Trägerfrequenzsignal und das Codesignal festgestellt und hieraus ein Korrektursignal erstellt werden. Da sich der Anfangsphasenfehler während des Navigationsbetriebs des Satel litennavigationsempfangsgeräts nicht ändert, können die Pha senregler für das Codesignal und das Trägerfrequenzsignal mit einer großen Reaktionszeit ausgestattet sein, also "statische" Regler bilden. Frequenzänderungen werden hingegen insbesondere durch die Doppler-Frequenzverschiebung bei relativ bewegten Systemen generiert, so daß die Regelstufe für die Frequenzän derungen mit einer kurzen Reaktionszeit ausgeführt sein muß, also einen "dynamischen" Regler darstellt. The separation according to the invention between phase control and Fre Sequence control avoids major disadvantages of the previous one Regulations. After experimenting through a search algorithm roughly matching carrier frequency signals and code signals have been determined, an initial phase error determined for the carrier frequency signal and the code signal and a correction signal can be created from this. Since the Initial phase error during the navigation operation of the Satel navigation device does not change, the Pha controller for the code signal and the carrier frequency signal have a long reaction time, ie "static" Form regulator. Frequency changes, however, are particularly due to the Doppler frequency shift in relatively moving Systems generated so that the control stage for the frequency must be carried out with a short response time, thus represents a "dynamic" controller.
Da sich die Dopplerverschiebungen in gleicher Weise sowohl auf die Trägerfrequenz als auch auf die Codefrequenz auswirken, kann die dritte Regelstufe durch einen gemeinsamen Regler ge bildet sein.Since the Doppler shifts both in the same way affect the carrier frequency as well as the code frequency, can the third control stage ge by a common controller be educated.
Für die bisher übliche Coderegelung sind die Korrelations signale verwendet worden, die sich aus der Differenz der Mischsignale "early" und "late" ergeben haben. Dabei entsteht zwar eine lineare Abhängigkeit zwischen Abweichung und Regel signal, die jedoch durch einen Signalverlust in der Regel schleife erkauft wird, da die Differenz der Korrelationsgrößen "early minus late" nur etwa 7/8 der maximalen Korrelations leistung zuläßt. Erfindungsgemäß ist es daher vorteilhaft, den Codephasenregler so einzustellen, daß die Regelung auf eine Übereinstimmung eines der beiden Signale "early" bzw. "late" mit dem Codesignal des Satellitensignals eingestellt wird. In diesem Fall entspricht somit beispielsweise das "late"-Signal dem aktuellen Signal ("punctual").The correlations are for the usual code regulation signals resulting from the difference of the Mixed signals "early" and "late" have resulted. This creates a linear dependency between the deviation and the rule signal, however, due to signal loss usually loop is bought because the difference in correlation sizes "early minus late" only about 7/8 of the maximum correlation performance allows. According to the invention, it is therefore advantageous to Set the code phase controller so that the control is set to a Match of one of the two signals "early" or "late" is set with the code signal of the satellite signal. In the "late" signal thus corresponds to this case, for example the current signal ("punctual").
Da die Verwendung der bisher üblichen konventionellen Regler nur für lineare Systeme optimiert sind, das Satellitensignal sich jedoch durch Störungen stochastisch verhält und die Über tragungsfunktionen der Code-Korrelatoren nicht linear arbei ten, sind die Systemfehler der bisherigen Regler im Grenzbe reich nicht mehr vernachlässigbar klein. Bei höherer Dynamik entstehen größere Meßfehler, die bis zur Instabilität der Re gelkreise führen können. Darüber hinaus wird durch die Eigen dynamik der Regler die Eigenfrequenz der Regelkreise einge schränkt, so daß sich Reaktionszeit und Meßgenauigkeit des Empfängers gegenseitig beeinträchtigen. Diese Nachteile werden bei der vorliegenden Erfindung vermieden, wenn die Regelstufen in einer bevorzugten Ausführungsform als Fuzzy-Regler ausge bildet sind.Since the use of the conventional controllers previously used are optimized only for linear systems, the satellite signal behaves stochastically due to disturbances and the over load functions of the code correlators are not linear are the system errors of the previous controllers in the border area rich no longer negligibly small. With higher dynamics arise larger measurement errors that up to the instability of the Re can lead circles. In addition, by own dynamics of the controller the natural frequency of the control loops limits, so that response time and measuring accuracy of Affect each other. These drawbacks will be avoided in the present invention when the control levels in a preferred embodiment as a fuzzy controller forms are.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. The invention is intended to be based on one in the drawing illustrated embodiment are explained in more detail.
In Übereinstimmung mit der bisher üblichen Technik wird das Satellitensignal durch eine (nicht dargestellte) herkömmliche Empfangsstufe in ein Zwischenfrequenzsignal ZF umgewandelt. Das so gewandelte Satellitensignal gelangt in zwei parallelen Zweigen auf je einen Trägerfrequenzmischer 1, 2. Auf den je weils anderen Eingang der Trägerfrequenzmischer 1, 2 gelangen Ausgangssignale eines Trägerfrequenzgenerators 3, der als di gital gesteuerter Oszillator (DCO - digitally controlled os cillator) ausgebildet ist. Das auf den zweiten Trägerfrequenz mischer 2 gelangende Ausgangssignal des Trägerfrequenzgenera tors 3 wird in einer Phasenverschiebungsstufe 4 um 90° pha senverschoben, so daß am Ausgang des ersten Trägerfrequenzmi schers 1 ein I-Signal (in line signal) und am Ausgang des zweiten Trägerfrequenzmischers 2 ein Q-Signal (quadrature signal) ansteht. Im eingeregelten Zustand führt die Mischung des Satellitensignals mit der Trägerfrequenz dazu, daß die Trägerfrequenz aus dem Satellitensignal eliminiert wird, so daß das Satellitensignal in demodulierter Form vorliegt.In accordance with the technique customary hitherto, the satellite signal is converted into an intermediate frequency signal IF by a conventional receiving stage (not shown). The satellite signal thus converted arrives in two parallel branches, each on a carrier frequency mixer 1, 2 . Output signals of a carrier frequency generator 3 , which is designed as a digitally controlled oscillator (DCO - digitally controlled os cillator), arrive at the respective other input of the carrier frequency mixer 1, 2 . The output signal of the carrier frequency generator 3 arriving at the second carrier frequency mixer 2 is shifted in a phase shift stage 4 by 90 ° so that at the output of the first carrier frequency mixer 1 an I signal (in line signal) and at the output of the second carrier frequency mixer 2 Q signal (quadrature signal) is present. In the adjusted state, the mixing of the satellite signal with the carrier frequency leads to the carrier frequency being eliminated from the satellite signal, so that the satellite signal is in demodulated form.
Die beiden Ausgangssignale der beiden Trägerfrequenzmischer 1, 2 werden in jeweils zwei Zweigen insgesamt vier Codemischern 5, 6, 7, 8 zugeführt. Die anderen Eingänge dieser Codemischer 5, 6, 7, 8 werden von einem Codegenerator 9 gespeist, der zwei verschiedene Ausgänge aufweist, die als "early"- und "late"- Signale zueinander um 90° verschoben sind. Da erfindungsgemäß die Regelung so erfolgt, daß das "late"-Signal mit dem Code signal im Satellitensignal ZF übereinstimmt, stellt das "late"-Signal im eingeregelten Zustand das aktuelle Codesignal ("punctual") dar.The two output signals of the two carrier frequency mixers 1 , 2 are supplied to a total of four code mixers 5 , 6 , 7 , 8 in two branches each. The other inputs of these code mixers 5 , 6 , 7 , 8 are fed by a code generator 9 , which has two different outputs, which are shifted by 90 ° to one another as "early" and "late" signals. Since, according to the invention, the regulation takes place in such a way that the "late" signal corresponds to the code signal in the satellite signal IF, the "late" signal in the adjusted state represents the current code signal ("punctual").
Der erste Codemischer 5 erhält einerseits das I-Ausgangssignal des ersten Trägerfrequenzmischers 1 und das "punctual" Aus gangssignal des Codegenerators 9. Der zweite Codemischer 6 mischt das I-Signal mit dem "early"-Signal des Codemischers 9. Der dritte Codemischer 7 mischt das Q-Signal mit dem "punc tual" Ausgangssignal des Codesignalgenerators 9 und der vierte Codemischer 8 das Q-Signal mit dem "early"-Signal. Die Aus gangssignale der vier Codemischer 5, 6, 7, 8 gelangen auf vier Korrelationsstufen 10, 11, 12, 13, die Korrelationssignale I-Prompt, I-Track, Q-Prompt und Q-Track bilden.The first code mixer 5 receives the I output signal of the first carrier frequency mixer 1 and the "punctual" output signal of the code generator 9 . The second code mixer 6 mixes the I signal with the "early" signal of the code mixer 9 . The third code mixer 7 mixes the Q signal with the "punctual" output signal of the code signal generator 9 and the fourth code mixer 8 mixes the Q signal with the "early" signal. The output signals from the four code mixers 5 , 6 , 7 , 8 arrive at four correlation stages 10 , 11 , 12 , 13 , which form the correlation signals I-Prompt, I-Track, Q-Prompt and Q-Track.
Die Korrelationssignale der Korrelationsstufen 10, 11, 12, 13 stellen ein Maß für den Regelzustand dar, eignen sich somit als Eingangssignale für die erfindungsgemäß vorgesehenen Re gelstufen 14, 15, 16. Die Ausgangssignale der Korrelationsstufen 10, 11, 12, 13 werden den drei Regelstufen 14, 15, 16 über drei Funktionsgeneratoren 17, 18, 19 zugeleitet, deren Regelfunktion unten näher erläutert wird.The correlation signals of the correlation stages 10 , 11 , 12 , 13 represent a measure of the control state and are therefore suitable as input signals for the control stages 14 , 15 , 16 provided according to the invention. The output signals of the correlation stages 10 , 11 , 12 , 13 are fed to the three control stages 14 , 15 , 16 via three function generators 17 , 18 , 19 , the control function of which is explained in more detail below.
Die erste Regelstufe 14 dient zur Korrektur eines Anfangspha senfehlers, erstellt somit ein Korrektursignal Δfo Code, das zu einer durch den erwähnten Suchalgorithmus ermittelten Anfangs codefrequenz fN,Code hinzuaddiert wird. Das Korrektursignal Δfo Code ändert sich während einer Navigationsmessung regelmäßig nicht, so daß die erste Regelstufe einen "statischen" Regler dar stellt. Die erwähnte Addition erfolgt in einer Additionsstufe 20, deren Ausgangssignal einem Codefrequenzgenerator 21 als Teil eines Codegenerators 9, 21 zugeführt wird.The first control stage 14 is used to correct an initial phase error, thus creating a correction signal Δf o code which is added to an initial code frequency f N, code determined by the aforementioned search algorithm. The correction signal Δf o code does not change regularly during a navigation measurement, so that the first control stage represents a "static" controller. The aforementioned addition takes place in an addition stage 20 , the output signal of which is fed to a code frequency generator 21 as part of a code generator 9 , 21 .
Die zweite Regelstufe 15 dient der Korrektur eines Anfangspha senfehlers der Anfangs-Trägerfrequenz fN,Carrier. Das Korrektur signal Δfo Carrier wird durch Subtraktion zweier Signale Δfi Carrier und Δfi D,L1 sowie anschließender Division durch 2 gewonnen, wie unten näher erläutert werden wird. Das Korrektursignal Δfo Carrier wird in einer Additionsstufe 22 der Anfangsträgerfrequenz fN,Carrier hinzugefügt und stellt ebenfalls eine praktisch unver änderliche Größe dar, so daß die zweite Regelstufe 15 eben falls ein statischer Regler ist.The second control stage 15 is used to correct an initial phase error of the initial carrier frequency f N, carrier . The correction signal Δf o carrier is obtained by subtracting two signals Δf i carrier and Δf i D, L1 and then dividing by 2, as will be explained in more detail below. The correction signal Δf o carrier is added to the initial carrier frequency f N, carrier in an addition stage 22 and also represents a practically unchangeable variable, so that the second control stage 15 is also a static controller.
Die dritte Regelstufe 16 korrigiert zwischen Abfragezeitpunk ten i detektierte Frequenzabweichungen, die beispielsweise durch Doppler-Frequenzverschiebungen verursacht sind. Die Regelzeit der dritten Regelstufe 16 ist daher vergleichsweise kurz, so daß die dritte Regelstufe 16 einen dynamischen Regler darstellt. Die in einer Summationsstufe 23 aufsummierten Kor rektursignale für dynamische Frequenzabweichungen werden einerseits in einer Additionsstufe 24 dem Signal Δfo Carrier hin zugefügt und beeinflussen die Frequenz des Trägerfrequenzgene rators 3 über die Additionsstufe 22. Andererseits gelangt die aufsummierte Frequenzabweichung auf eine Teilerstufe 25, die durch 1540 teilt, da die Trägerfrequenz das 1540-fache der Codefrequenz beträgt. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 25 gelangt ebenfalls auf die Additionsstufe 20, so daß die Frequenz des Codefrequenzgenerators 21 auch durch die dyna mischen Frequenzabweichungen beeinflußt wird.The third control stage 16 corrects detected frequency deviations between polling times i, which are caused, for example, by Doppler frequency shifts. The control time of the third control stage 16 is therefore comparatively short, so that the third control stage 16 represents a dynamic controller. The summed up in a summation stage 23 correction signals for dynamic frequency deviations are on the one hand added to the signal Δf o carrier in an addition stage 24 and influence the frequency of the carrier frequency generator 3 via the addition stage 22 . On the other hand, the total frequency deviation reaches a divider stage 25 , which divides by 1540, since the carrier frequency is 1540 times the code frequency. The output signal of the frequency divider 25 also reaches the addition stage 20 , so that the frequency of the code frequency generator 21 is also influenced by the dynamic frequency deviations.
Im folgenden sollen die Funktionen der drei Regelschleifen
erläutert werden:
Der mit der ersten Regelstufe gebildete Codephasenregler hat
die Aufgabe, die Phasenverschiebung zwischen dem ankommenden
Codesignal und dem internen generierten Codesignal auf 0 zu
reduzieren.The functions of the three control loops are explained below:
The code phase controller formed with the first control stage has the task of reducing the phase shift between the incoming code signal and the internally generated code signal to 0.
In dem bekannten Satellitennavigationssystem GPS (Global Positioning System) ist eine C/A-Code-Sequenz eine binäre periodische Rechteckschwingung und dauert 1023 Chips. Sie ent spricht bei einer Taktfrequenz von 1,023 MHz genau 1 ms. Der interne Code kann beispielsweise von einem 10-Bit Schiebere gister erzeugt werden.In the well-known satellite navigation system GPS (Global Positioning System), a C / A code sequence is a binary periodic square wave and lasts 1023 chips. You ent speaks exactly 1 ms at a clock frequency of 1.023 MHz. Of the For example, internal code can be from a 10-bit slider ghosts are generated.
Zwischen dem ankommenden und dem internen Code besteht eine Phasenverschiebung τ. Die Aufgabe des Codephasenreglers be steht darin, diese Phasenverschiebung auf 0 zu reduzieren.There is one between the incoming and the internal code Phase shift τ. The task of the code phase controller be is to reduce this phase shift to 0.
Zur Regelung wird die Autokorrelationsfunktion verwendet, die sich wie folgt darstellt:The autocorrelation function is used for control, the is represented as follows:
Die ideale Autokorrelation für einen solchen pseudo stochastischen binären Code ist 0, wenn die Phasenverschiebung < als 1 Chip und < als 1022 Chips ist. Nur bei einer Phasen verschiebung τ innerhalb ± 1 Chip ist die Korrelationsgröße merkbar groß. Das Maximum entsteht bei der Phasenverschiebung Null. Durch Verschieben der internen Codephase in Schritten von halben Chips in Relation zum ankommenden Codesignal kann dieser Zustand erreicht werden (Suchalgorithmus). Danach über nimmt der Codephasenregler die Regelfunktion.The ideal autocorrelation for such a pseudo stochastic binary code is 0 if the phase shift <than 1 chip and <than 1022 chips. Only in one phase shift τ within ± 1 chip is the correlation size noticeably large. The maximum arises with the phase shift Zero. By shifting the internal code phase in steps of half chips in relation to the incoming code signal this state can be reached (search algorithm). After that over the code phase controller takes over the control function.
Dabei wird eine Delay-Lock-Loop verwendet. Der Codegenerator generiert synchron zwei C/A-Code-Sequenzen, die um eine kon stante Phasenverschiebung zueinander stehen.A delay lock loop is used. The code generator generates two C / A code sequences synchronously, which by a con constant phase shift to each other.
Um den Einfluß des Fehlers vom Trägerfrequenzregelkreis zu vermindern, werden die gesamten Signalleistungen REarly und RLate als Eingangsgröße verwendet.In order to reduce the influence of the error from the carrier frequency control loop, the total signal powers R Early and R Late are used as the input variable.
Die Autokorrelationsfunktion kann durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:The autocorrelation function can be performed by the following Equations are represented:
Das bisher verwendete sogenannte Early-Minus-Late-Verfahren für die Coderegelung hat den Vorteil, daß sich die Eingangs größe REarly minus RLate linear zum Codephasenfehler verhält. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß der eingeschwungene Code phasenregler nur 7/8 der maximalen Korrelationsleistung nutzt, wodurch ein Signalverlust für die Regelschleife entsteht.The so-called early-minus-late method used so far for the code control has the advantage that the input variable R Early minus R Late is linear to the code phase error. The disadvantage, however, is that the steady code phase controller only uses 7/8 of the maximum correlation power, which results in a signal loss for the control loop.
Erfindungsgemäß wird die Codephasenregelung so eingestellt, daß RLate den maximalen Wert erreicht. In diesem Fall ist RLate mit RPunctual identisch. Als Eingangsgröße des Codephasenreglers wird erfindungsgemäß das Verhältnis D von τ der beiden Korre lationsgrößen verwendet:According to the invention, the code phase control is set so that R Late reaches the maximum value. In this case, R Late is identical to R Punctual . According to the invention, the ratio D of τ of the two correlation variables is used as the input variable of the code phase controller:
Dies bedeutet hier:This means here:
Fig. 2 zeigt die Übertragungsfunktion des Codephasenreglers, wobei das Verhältnis D(τ) in dB-Einheit vorgegeben wird. Bei der Nullphase (τ=0) ist die Eingangsgröße D des Reglers genau 0,5, das auch -6 dB entspricht. Konventionelle lineare Regler haben Schwierigkeiten mit einer derart nichtlinearen Funktion, die ohne Verlust an Genauigkeit sehr schwer nachzubilden ist. Mit dem Einsatz eines nichtlinearen Fuzzy-Reglers kann dieses Problem leicht gelöst werden. Fig. 2 shows the transfer function of the code phase controller, wherein the ratio D (τ) in dB unit is specified. In the zero phase (τ = 0), the input variable D of the controller is exactly 0.5, which also corresponds to -6 dB. Conventional linear controllers have difficulties with such a non-linear function, which is very difficult to reproduce without loss of accuracy. This problem can easily be solved by using a non-linear fuzzy controller.
Der mit der zweiten Regelstufe gebildete Trägerphasenregler hat die Aufgabe, die Anfangsphasendifferenz des Trägersignals auf 0 zu regeln. Zusammen mit dem durch die dritte Regelstufe 16 gebildeten Trägerfrequenzregler sollen daher sowohl die Phasendifferenz als auch die Frequenzdifferenz zwischen dem ankommenden Signal und den intern generierten Sinus-/Kosinus-Signalen zu 0 geregelt werden.The carrier phase controller formed with the second control stage has the task of regulating the initial phase difference of the carrier signal to 0. Together with the carrier frequency controller formed by the third control stage 16 , both the phase difference and the frequency difference between the incoming signal and the internally generated sine / cosine signals should therefore be regulated to zero.
Das abgestrahlte Satellitensignal lautet:The radiated satellite signal is:
SL1(t) = AC/A·C/A(t)·D(t)·sin(ωL1·t + θ0,L1) (11)S L1 (t) = A C / AC / A (t) D (t) sin (ω L1t + θ 0, L1 ) (11)
wobeiin which
SL1(t): abgestrahltes Signal;
AC/A: Amplitudenanpassung;
C/A(t): Zustand des Gold-Codes ∈{-1,1};
D(t): Daten der Satellitennachricht ∈{-1,1};
ωL1: 2πfL1 Nominelle Trägerfrequenz L1;
θ0,L1: Phasenfehler bestehend aus Anteile des Satellitenoszillators.S L1 (t): radiated signal;
A C / A : amplitude adjustment;
C / A (t): state of the gold code ∈ {-1.1};
D (t): data of the satellite message ∈ {-1.1};
ω L1 : 2πf L1 nominal carrier frequency L1;
θ 0, L1 : phase error consisting of parts of the satellite oscillator.
Das empfangene und auf eine Zwischenfrequenz ZF heruntergemischte Satellitensignal:The satellite signal received and mixed down to an intermediate frequency IF:
Ss(t) = As·C/A(t)·D(t)·sin(ωSt + θS)
= As·C/A(t)·D(t)·sin[(ωN,Carrier + ωL1,Doppler)t + θS] (12)S s (t) = A s · C / A (t) · D (t) · sin (ω S t + θ S)
= A s · C / A (t) · D (t) · sin [(ω N, Carrier + ω L1, Doppler) t + θ S] (12)
wobeiin which
Ss(t): das empfangene und auf die ZF heruntergemischte SL1(t);
As: Signalamplitude;
C/A(t): Zustand des Gold-Codes ∈{-1,1};
D(t): Daten der Satellitennachricht ∈{-1,1};
ωN,Carrier: ZF Nominalfrequenz z. B. 1.405396826 MHz;
ωL1,Doppler: Dopplerfrequenz von L1;
θS: ZF-Phasenverschiebung durch den HF-Mischer.S s (t): the S L1 (t) received and mixed down to the IF;
A s : signal amplitude;
C / A (t): state of the gold code ∈ {-1.1};
D (t): data of the satellite message ∈ {-1.1};
ω N, carrier : IF nominal frequency z. B. 1.405396826 MHz;
ω L1, Doppler : Doppler frequency of L1;
θ S : IF phase shift through the RF mixer.
Die internen generierten Sinus- und Cosinus-Signale:The internally generated sine and cosine signals:
SL,1(t) = AL·sin(ωLt + θL)
SL,2(t) = AL·sin(ωLt + θL + π/2) = AL·cos(ωLt + θL)
SL,1, SL,2: vom lokalen Carrier-DCO generierte Sinus- und Cosinus-Signale;
AL: Signalamplitude ± 2;
ωL: Lokale Trägerfrequenz vom Carrier-DCO;
θL: Lokale Trägerphase vom Carrier-DCO.S L, 1 (t) = A L · sin (ω L t + θ L)
S L, 2 (t) = A L · sin (ω L t + θ L + π / 2) = A L cos (ω L t + θ L)
S L, 1 , S L, 2 : sine and cosine signals generated by the local carrier DCO;
A L : signal amplitude ± 2;
ω L : local carrier frequency from the carrier DCO;
θ L : Local carrier phase from the carrier DCO.
Der Carrier-DCO soll so gesteuert werden, daß die lokale Frequenz ωL und Phase θL so nahe wie möglich an die Frequenz ωS und Phase θS der empfangenen Satellitensignale liegen. Daher können sie durch die folgenden Formeln dargestellt werden:The carrier DCO should be controlled so that the local frequency ω L and phase θ L are as close as possible to the frequency ω S and phase θ S of the received satellite signals. Therefore, they can be represented by the following formulas:
ωL = ωS-ωError und θL = θS-θError.ω L = ω S -ω Error and θ L = θ S -θ Error .
damitin order to
SL,1(t) = AL·sin[(ωS-ωError)t + θS-θError] (13)S L, 1 (t) = A L · sin [(ω S -ω Error ) t + θ S -θ Error ] (13)
SL,2(t) = AL·cos[(ωS-ωError)t + θS-θError] (14)S L, 2 (t) = A L · cos [(ω S -ω Error ) t + θ S -θ Error ] (14)
Im Regelkreis wird das Eingangssignal mit dem vom lokalen Quarz generierten Sinus- SL,1(t) und Cosinus-Signal SL,2(t) multipliziert, so daß die Trägerfrequenz auf Null herabgemischt wird.In the control loop, the input signal is multiplied by the sine S L, 1 (t) and cosine signal S L, 2 (t) generated by the local quartz, so that the carrier frequency is mixed down to zero.
Danach werden beide Signal jeweils mit den intern generierten C/A-Code C/A′(t) multipliziert. Mit Hilfe der Code-Regelschleife wird die Codefunktion C/A′(t) so eingestellt, daß sie mit der C/A(t) korreliert, indemThen both signals are generated with the internally generated C / A code C / A ′ (t) multiplied. With the help of the code control loop, the code function C / A ′ (t) is set so that that it correlates with the C / A (t) by
C/A′(t) = C/A(t) bzw. C/A′(t)·C/A(t) = C/A²(t) = (± 1)² = 1;C / A ′ (t) = C / A (t) or C / A ′ (t) · C / A (t) = C / A² (t) = (± 1) ² = 1;
Die Eingangssignale f₁(t) und f₂(t) der Integratoren können dann wie folgend dargestellt werden:The input signals f₁ (t) and f₂ (t) of the integrators can then be shown as follows will:
mit K = AS·AL·C/A²(t)=AS·AL.with K = A S · A L · C / A² (t) = A S · A L.
Die Eingangsgrößen werden von den Integratoren innenhalb einer konstanten Zeitperiode T aufsummiert. Ii und Qi sind die Ausgangsgröße der Integratoren, bzw. ωError und θError die Frequenz- und Phasenfehler am Zeitpunkt Ti:The integrators add up the input variables within a constant time period T. I i and Q i are the output variable of the integrators, and ω error and θ error are the frequency and phase errors at time T i :
Da die Trägerfrequenz ωS wesentlich größer als der Frequenzfehler ωError ist, werden die zweiten Integrationstermen von (15) und (16) vernachlässigt klein.Since the carrier frequency ω S is significantly larger than the frequency error ω Error , the second integration terms of (15) and (16) are neglected small.
wobei D(Ti)² = (± 1)² = 1.where D (T i ) 2 = (± 1) 2 = 1.
Das Quadrat der gesamten Signalleistung:The square of the total signal power:
Das normierte IQ-Produkt ist dann gleich:The standardized IQ product is then the same:
Der zu korrigierende Winkelfehler ηi kann berechnet werden:The angle error η i to be corrected can be calculated:
Die Änderung der Einstellfrequenz Δfi Carrier ist dann:The change in the setting frequency Δf i carrier is then:
Aus der Gleichung (23) kann nur der gesamte Fehler berechnet werden. Um den Frequenzfehler und den Phasenfehler zu trennen, wird ein nachfolgendes Verfahren, Frequency-Lock-Loop (FLL), angewandt.Only the entire error can be calculated from equation (23). To the Separating frequency error and phase error becomes a subsequent procedure Frequency lock loop (FLL) applied.
Da die Dopplerverschiebung nur relativ langsame Änderungen in Frequenzfehler verursacht, kann angenommen werden, daß zum Zeitpunkt Ti und Ti+1 der Frequenzfehler näherungsweise den gleichen Betrag ωError hat:Since the Doppler shift only causes relatively slow changes in frequency errors, it can be assumed that at times T i and T i + 1 the frequency error has approximately the same amount ω Error :
Da die Datenfunktion D(t) eine sehr niedrige Datenrate (50 Hz) hat, sind in den meisten Fällen die Datenbits D(Ti) mit D(Ti+1) identisch, so daß D(Ti)·D(Ti+1)=D²(Ti) = 1.Since the data function D (t) has a very low data rate (50 Hz), in most cases the data bits D (T i ) are identical to D (T i + 1 ), so that D (T i ) · D (T i + 1 ) = D² (T i ) = 1.
Die Gleichung (14) wird hier durch den Betrag Ii² + Qi² normiert.The equation (14) is normalized here by the amount of I i + Q i ² ².
Die Änderung der Einstellfrequenz Δfi D,L1 für den Frequenzfehler ist dann:The change in the setting frequency Δf i D, L1 for the frequency error is then:
Aus den Gleichungen (23) und (29) kann die Frequenzänderung Δf⁰D,L1 für den Phasenfehler wie folgt berechnet werden:The equation (23) and (29) can be used to calculate the frequency change Δf⁰ D, L1 for the phase error as follows:
Gleichung (30) verdeutlicht die Bildung des Signals Δf⁰Carrier unter Verwendung des Ausgangssignals Δfi Carrier der zweiten Regelstufe 15 und des Ausgangssignals Δfi D,L1 der dritten Regel stufe 16, wie es auf die Additionsstufe 24 gelangt.Equation (30) illustrates the formation of the signal Δf⁰ carrier using the output signal Δf i carrier of the second control stage 15 and the output signal Δf i D, L1 of the third control stage 16 as it reaches the addition stage 24 .
Die dynamischen Regelungen werden dadurch berücksichtigt, daß Decode- und Trägerfrequenz als Summe der Abweichungen von einer Anfangsfrequenz verstanden wird:The dynamic regulations are taken into account in that Decode and carrier frequency as the sum of the deviations from an initial frequency is understood:
fi Code = fN,Code + Δf⁰Code + Σ Δfi D,Code f i code = f N, code + Δf⁰ code + Σ Δf i D, code
fi Carrier = fN,Carrier + Δf⁰Carrier + Σ Δfi D,L1.f i carrier = f N, carrier + Δf⁰ carrier + Σ Δf i D, L1 .
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE19915009A1 (en) * | 1999-04-01 | 2000-11-02 | Siemens Ag | Computer-aided parameter calculation method e.g. for position determination and navigation system of mobile robot |
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- 1996-07-30 DE DE1996130722 patent/DE19630722C2/en not_active Expired - Fee Related
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DE19630722C2 (en) | 1998-06-04 |
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