DK166468B1 - Digital modtager for satellitnavigationssystem med dopplerjustering - Google Patents

Description

i DK 166468 B1

Den foreliggende opfindelse angår en modtager for Navstar satel1 i tnavi gationssystemet.

Navstar er et satellitnavigationssystem, som er planlagt til at give kontinuerlig verdensomspændende al vejrsdækning, som tilve-5 jebringer meget nøjagtig tredimensional position og hastighedsinformation.

Det komplette Navstar system er planlagt at bestå af 18 satellitter anbragt i næsten cirkulære baner med radier på 26.600 km og en inklination i forhold til jordens ækvatorial pi an på 55 grader.

10 Hver satellit udsender to navigationssignaler betegnet LI og L2 og centreret på henholdsvis 1575 og 1228 MHz.

Begge signaler overfører afstandsinformation ved hjælp af modulationer, som er låst i tid til atomstandarder. Formerne af disse modulationer (der er kendt som pseudotilfældige koder, fordi 15 de optræder tilfældigt, men ikke desto mindre er veldefinerede) er særegne for hver satellit.

Ved måling af faserne af de modtagne koder i forhold til en taktgiver i modtageren sammen med dopplerforskydni ngerne af radiofrekvensbærebølgerne kan en bruger beregne afstanden og afstands-20 ændringshastigheden (engelsk: range rate) til en bestemt satellit ved overvågning af fire satellitter (fig. 1). Ved dekodning af data om deres bevægelser, som også er moduleret på de udsendte signaler, kan brugeren løse ligninger (fig. 2) til at bestemme sin tredimensionale position og hastighed og også føre korrektioner til sin 25 taktgiver for at bringe den til at være i overensstemmelse med sa-tellittid.

Hvis brugeren alternativt er begrænset til at bevæge sig på jordens overflade eller befinder sig i en kendt højde, kan han udføre todimensionale målinger ved anvendelse af tre satellitter.

30 Programmellet, som styrer modtageren, skal blandt de indenfor synsvidde værende satellitter vælge det delsæt, som giver den gunstigste geometri for navigationsberegningerne.

To pseudotilfældige koder bliver i virkeligheden udsendt af hver satellit. Den første af disse anvendes til at hjælpe med til 35 indsamling af satellitsignalerne og til at tilvejebringe grov navigation og kaldes følgelig grov/indsamlingskoden (engelsk: Coarse/ Acquisition code C/A). Den anden har en ti gange højere modulationshastighed, som giver den fulde navigationsnøjagtighed af systemet og betegnes præcisionskoden P-kode.

2 DK 166468 B1

En grund-Navstarmodtager indeholder typisk en forstærker med lav støj og ned-omsætter til en passende mellemfrekvens fulgt af en eller flere kode- og bærebølgefølgekanaler, der hver er i stand til at følge transmissionerne fra en eller anden satellit. Der er også 5 tilknyttet afstands- og afstandsændringshastighedsmålekredsløb.

Formålet med kodefølgningssløjfen er at holde en kodegenerator i modtageren i trit med en modtaget pseudotilfældig følge (sekvens) og dermed tilvejebringe information om afstanden til satellitten, som følges.

10 For at opnå et positions- og hastighedsestimat skal modtageren låses til udsendelserne fra et antal satellitter. Der betragtes tilfældet med et fuldstændigt tredimensionalt estimat, for hvilket det krævede antal er fire, som vist i fig. 1. Fire målinger af "pseudo-afstand" udføres ved låsning af kodefølgningssløjfer til de 15 modtagne signaler og derefter tidsstyring af forekomsten af visse tilstande af kodegeneratorerne inden for sløjferne ved hjælp af modtagerens taktgiver. Målingerne er af "pseudo-afstand" i stedet for sand afstand på grund af den (endnu) ubestemte modtagertaktgiverforskydning.

20 Ved på lignende måde at måle frekvenserne af bærebølgefølg- ningssløjfens spændingsstyrede oscillatorer over tastningstider bestemt af modtagerens taktgiver fås fire målinger af "pseudo-af-standsændringshastighed". Disse er fejlbehæftede i forhold til de sande afstandsændringshastigheder på grund af taktgiverens fre-25 kvensfejl. Alle disse målinger sammen med data fra hver satellit,, som tilvejebringer information om satellitbevægelse, muliggør derpå opnåelse af en navigationsløsning. Dette er baseret på den omstændighed, at fire observationer er påkrævet for at løse for fire ubekendte.

30 Ifølge den foreliggende opfindelse tilvejebringes en modtager til et Navstar satellitnavigationssystem indbefattende organer til forstærkning og ned-omsætning til mf-frekvenser til frembringelse af kvadratursignaler, analog-til-digital omsættere til separat at digitalisere kvadratursignalerne, lokale digitalkodegeneratororga-35 ner, organer til korrelaring af de digitaliserede kvadratursignaler separat med de samme lokalt frembragte digitale koder, kanalsignalbehandlingsorganer, hvortil udgangssignalerne fra korrelationsorganerne føres, hvilke behandlingsorganer er indrettet til at styre koden og bærebølgefølgningen af modtageren, og korrektionsorganer, 3 DK 166468 B1 der er indrettet til i afhængighed af styresignaler, som frembringes i behandlingsorganerne, at bevirke fasordrejning af basisbåndsignalfasoren repræsenteret ved kvadratursignalerne for at bevirke dopplerfølgning i modtagersløjfen, og det for modtageren 5 ifølge opfindelsen ejendommelige er, at modtageren indbefatter et digitalt datalagerorgan, som lades med data i form af "op-slag$"-tabeller, som indbefatter kombinationer af signalindgangstilstande, organer til tilførsel af de digitaliserede kvadratursignaler, som partielle adressesignaler for lagerorganet, og organer 10 til frembringelse af yderligere adressesignaler for lagerorganet i afhængighed af styresignaler, hvorved fasorrotationskorrektion udføres ved tilgang til lagerorganet i overensstemmelse med adressesignalerne for at frembringe et udgangssignal for kanal signal behandl i ngsorganerne.

15 Fig. 3 viser en generaliseret Navstar modtagerarkitektur. Sig nal indføres på L-bånd og føres gennem efter hinanden følgende trin til forstærkning og ned-omsætning ved rf-, mf- og nul mf-frekvenser.

På et eller andet sted i kæden skal signalet gå gennem en analogdigital grænseflade for at tillade informationsudtrækning ved hjælp 20 af en digital processor. Hvis kode- og bærebølgesløjferne er lukket i programmel, vil denne processor også tilvejebringe de nødvendige tilbagekoblingsstyresignaler.

Det har hidtil været kendt at udføre den nødvendige dopplerkorrektion af de digitale signaler i rf-delene af modtageren.

25 Der er et antal mulige steder, hvor kode- og bærebølge-(doppler) justering kan finde sted: ved mf-basisbånd analog eller basisbånd digital. Efter justeringsstedet i modtagerkæden bliver kredsløbet dedikeret til modtagelse af signaler fra en bestemt satellit. Til modtagelse af udsendelser fra flere 30 satellitter skal kredsløbet efter dette sted følgelig gentages svarende til det .tilsigtede antal satellitter eller alternativt tidsdeles (cyklisk eller multipiexet) mellem det samme antal. For at reducere kreds!øbskomplexiteten bør justeringsstedet derfor skubbes så langt tilbage i kæden som muligt. Det fjerneste sted, hvor denne 35 proces kan udføres, er ved udførelse af både kodekorrelation og dopplerkorrektion på digitalt basisbånd.

Andre betragtninger kan også fremsættes til gunst for en ba-sisbåndsløsning. Ved udførelse af kodekorrelation på basisbånd kan sande multiplikatorer anvendes i stedet for blandere, hvorved undgås 4 DK 166468 B1 problemet med blanderufuldkommenheder. Stabiliteten og Q-faktoren for de krævede filtre til fastlæggelse af prækorrelationsbåndbredden ville kræve ret stringente specifikationer ved mf. Problemet bliver betydeligt lettet ved udførelse af lavpasfiltrering på basisbånd.

5 Behovet for at anvende flere overføringssløjfer i syntetisatoren til implementering af mf dopplerindsætning kan også undgås.

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1-3 viser den ovenfor nævnte kendte teknik, fig. 4 virkningen af dopplerforskydning, fig. 5 fasedrejning fig. 6 en numerisk styret oscillator og fig. 7 en kanal i en Navstar modtager.

Muligheden for at tilvejebringe digital dopplerkorrektion på 15 basisbånd er meget ønskelig, da dette vil muliggøre anvendelse af en enkelt fast frekvens ned-omsætning til nul mf fulgt af et enkelt par A/D omsættere uden hensyn til det krævede antal modtagerkanaler.

For at repræsentere signal fasoren på basisbånd er i-fase (I) og kvadratur (Q) kanaler nødvendige, hvor I- og Q-kanalerne betegner 20 den reelle og den imaginære komposant af fasoren. En eventuel dopplerforskydning vil bringe fasoren til at rotere og således frembringe et dopplertab, hvis filtrering udføres ved akkumulering af efter hinanden følgende fasorsampler. Denne virkning er vist i fig. 4. Rotationen skal derfor fjernes eller betydeligt reduceres, 25 før nævneværdig akkumulering kan finde sted.

Signal vektoren (fasoren) kan udtrykkes i exponential form sål edes S = AeJ (ωΝΤ+Φ) N = 0,1,2 ____ 30 hvor A er signal amplituden, ω er dopplerfrekvensen, T sampleintervallet, og φ er en vilkårlig vinkel.

For at fjerne fasorotationen skal signal vektoren multipliceres med en modsat roterende enhedsvektor således 35 S· - AeJ <"NT+ ♦> . e‘j“NT - Aej *

Fasoren vil nu synes at være stationær og kan akkumuleres i tid uden tab.

5 DK 166468 B1

Den praktiske implementering af den modsat roterende funktion på I- og Q-kanalerne kan let indses ved at udtrykke multiplikationen i reel og imaginær del således: 5 (I+jQ) (cos ω NT - j sin ω NT)

= I cos w NT + Q sin NT + jQ cos ω NT - jl sin ω NT

v---J ""-v-r-' Γ Q' 10 Transformationen er vist skematisk i fig. 5.

Rotationsvinklen ω NT kan hensigtsmæssigt tilvejebringes af en numerisk styret oscillator (NCO) af den form, der er vist i fig. 7. Vinklen vil da være repræsenteret ved et M bit digitalt ord. Den krævede ordlængde vil være bestemt af den maksimale fasestøj, som 15 kan tolereres fra rotationsoperationen. Den resulterende fasestøj vil være givet ved evaluering af effektivværdien af kvanti seringsstøjen. Hvis 6 bit anvendes, vil der fremkomme en fasekvantisering af 0,098 radianer med en tilknyttet effektivværdi af fasestøj σψ på 20 <7 2ø = °’098 12 som giver σ^ - 0,028 rad. eff.

Denne værdi vil typisk være et godt stykke under den forventede 25 termiske støj i Navstar fasefølgningssløjfer.

Frekvensområdet og opløsningen af NCO skal være tilstrækkelig til at dække det fuldstændige forventede dopplerområde i trin, der er små nok til at forhindre, at signifikante fasefejl akkumuleres mellem NCO opdateringer. Et dopplerområde på + 10 kHz vil være mere 30 end tilstrækkeligt, da det vil omslutte det fulde satellitdoppler-område på ~ +4 kHz sammen med et brugerhastighedsområde på + Mach 3,8. Ved betragtning af apparatets frekvensopløsning kan det antages, at NCO bliver opdateret ved en effektiv hastighed på ca. det dobbelte af sløjfebåndbredden. I tilfælde af en smal båndbredde med 35 en opdateringshastighed på ca. 1 Hz vil en frekvensopløsning på 0,01 Hz således tillade en fasefejl i værste tilfælde på - 0,05 radianer i at opstå. Dette er foreneligt med den ovenfor angivne fasestøj. Antallet af bit, som er påkrævet for at styre NCO, bliver derfor bestemt som DK 166468 B1 6

Tog2 (20.103/0,01) ~ 21 bit.

NCO skal også taktstyres ved en tilstrækkeligt høj hastighed til at forhindre "musetænder" på faserampeudgangssignalet i at 5 forekomme. Disse "musetænder" frembringes som følge af, at oscillatoren kun frembringer et endeligt antal udgangssampler pr. udgangscyklus. Problemet bliver derfor værst ved den højeste udgangsfrekvens. For at reducere denne effekt til niveauet af fasekvantise-ringen vil ca. 64 udgangssampler pr. udgangscyklus derfor være på-10 krævet. Dette svarer til en taktstyrehastighed på 640 kHz.

Positionering af fasorrotatoren efter nogen akkumulering af korrelatorudgangssignalet er akceptabel, forudsat at der ikke forekommer noget nævneværdigt dopplertab under denne akkumuleringstid. Tabet kan let evalueres ved undersøgelse af frekvenska- 15 rakteristikken F(tt>) for akkumulatoren således F(·) - I " eij-T .

N N sin ^ 20 1=1 2

For et maksimalt 1 dB tab ved den maksimale dopplerfrekvens på 10 kHz må N derfor ikke være større end 547. Anbringelse af fasorrotatoren efter denne akkumuleringsmængde ville resultere i, at 25 apparatets genemgangshastighed reduceres fra 20 MHz til ca. 40 kHz.

Det er fordelagtigt at udføre noget af akkumuleringen før fasorrotationen for derved at reducere ROM'ens krav om tilgangstid. Yderligere akkumulering kan derpå anvendes til at reducere udgangsdatahastigheden til en tilstrækkeligt lav værdi til håndtering af en 30 mikroprocessor. Denne vil være af størrelsesordenen 1 kHz. Der er imidlertid et yderligere aspekt ved konfigurationen, som skal undersøges, nemlig de krævede I- og Q-ordlængder.

Det krævede antal bit til I- og Q-di gi tal i seri ngerne vil være anvendelsesafhængigt. Hvis et 2 dB tab kan tolereres, vil enkelt 35 bitomsætning være tilfredsstillende. Hvis der imidlertid anvendes 2 bit, vil dette tab blive reduceret til 0,6 dB. Disse to tilfælde forudsætter, at signal/støj-forholdet er negativt. Ved fremadskriden gennem akkumuleringstrinnene vil dette ikke altid være tilfældet, og flere bit vil blive nødvendige.

7 DK 166468 B1

Det sted, hvor fasorrotation udføres, vil derfor afhænge af implementeringen af anordningen. En 2 bit rotator, der arbejder ved 20 MHz, kan anbringes direkte før eller efter korrel atoren. Alternativt kan en langsommere, men større ordlængderotator anvendes ef-5 ter en begrænset mængde efter-korrelationsakkumulering.

Ved betragtning af 2 bit 20 MHz opløsningen kan det ses, at en simpel implementering kunne opnås ved anvendelse af en PROM opslagstabel. Adresserne ville bestå af 4 bit af I- og Q-signaldata sammen med de 6 bit, som er nødvendige for at definere fasorrota-10 tionen til en opløsning på 5,625° (360°: 64, dvs. 6 bit i binær). Udgangssignalerne ville simpelthen være 4 bit af drejet I-og Οι nformation. PROM-størrelsen ville derfor være 4 k udført som en 1 k x 4. Hvis enkeltbitdigitalisering var tilstrækkelig, kunne dette reduceres til 256 x 2.

15 Denne idé kan føres et skridt videre ved at kombinere enkelt bi tmultiplikationen, som kræves for at implementere korrelationsfunktionen i rotations PROM'en. Endelig kan inde-tidskorrelationen sammen med skiftet eller dedikeret tidlig/sen korrelation også kombineres. Med hensyn til det skiftede tidlig/sen tilfælde ville 20 PROM'en kræve 12 adresselinier og en udgangsordstørrelse på 8 bit og således fastlægge en 32 k PROM. Denne konfiguration er vist i fig.

7.

Indgangssignalet på L-bånd for alle kanaler bliver først ned-omsat gennem en enkelt kæde af rf- og mf-trin til en frekvens FQ+D.

25 Det resulterende mf-signal føres til to blandere 70a, 70b i kvadratur med et lokaloscillatorsignal ved en frekvens FQ. I- og Qsigna-lerne, som således fås, bliver lavpasfiltreret og ført til A/D-omsættere 71a, 71b. Adaptive tærskel metoder anvendes til at bekæmpe ikke-gaussiske støjkilder. 2-bit digitalisering anvendes 30 sammen med sampling af tidlig,sen og prompte (e,l,p) korrelationer for at adressere en programmerbar lagerchip 72. De tilsvarende tidlige, sene eller prompte udgangstilstande bliver separat akkumuleret og ført til kanal processoren 73. Målinger udføres af kanal-processoren af afstand og afstandsændringshastighed ved overvågning 35 af kodegeneratortiIstandene. En numerisk styret oscillator 74 reagerer på kanal behandl i ngen og afleder den krævede fasorrotationsvinkel samt frembringer et 6 bit ord, som danner en del af PROM-adressen sammen med I-og Q-digitaliseringen og e,1,p kodesamplingen.

8 DK 166468 B1

Den primære funktion af processoren er imidlertid at holde kode- og bærebølgefaserne på sporet.

Estimater af kodepositionsfejl kan foretages simpelt ved at danne differensen af tidlige og sene korrelationssampler. Disse 5 udledes ved udførelse af I + Q operationer på de tidlige og sene udgangssignaler. Det skal bemærkes, at i denne digitale implementering vil kanal balance ikke længere være noget problem.

Kodepositionsfejlestimater kan derpå føres til et programmel sløjfefil ter, før de anvendes til at opdatere kodegeneratoren og således 10 lukke kodefølgningssløjfen.

Bærebølgefaseesti mater kan foretages ved anvendelse af en Costas I.Q. teknik på prompt korrelationssamplerne. Bærebølgesløjfen vil derpå blive lukket på lignende måde som kodesløjfen. Bærebøl gefrekvensestimater kan også dannes ved udførelse af en operation 15 på tidssekventielle I,Q par som vist nedenfor Q.I. i - I.Q. ,

Fejlfrekvens oc x 1 1~

Tf+Oi

Denne fejlfunktion kan anvendes til at bistå indledende bærebølge-20 faseopnåelse og kan også anvendes til at give frekvensestimater, når alvorlig forstyrrelse udelukker anvendelse af bærebølgefasefølgni ngssløjfen.

Denne konfiguration tillader tilføjelse af flere modtagerkanaler på simpel måde ved tilføjelse af ekstra kodegenera-25 torer NCO'er og PROMS. Det samme A/D modul og den samme kanalprocessor kan anvendes for de ekstra kanaler. Et separat A/D omsætningsmodul vil imidlertid være påkrævet, hvis LI og L2 skal modtages samtidigt.

For en modtagerkanal med lavere ydelse kan de adaptive tærskel 30 2 bit A/D omsættere erstattes med enkel tbi tenheder. Korrel atoren behøver kun at være af en omskiftet tidlig/sen type og kræver således kun et enkelt par af I- og Q-udgange.

Hvis samtidig drift på et antal satellitter eller på forskellige signal segmenter af den samme satellit er påkrævet, kan et antal 35 serielle korrelationsblokke anvendes i parallel.

Claims (5)

1. Modtager for et Navstar satellitnavigationssystem indbefattende organer til forstærkning og ned-omsætning (70a,70b) til 5 mf-frekvenser til frembringelse af kvadratursignaler, analog-til-digital omsættere (71a,71b) til separat digitalisering af kvadratursignalerne, lokale digitale kodefrembringel sesorganer, organer til korrelering af de digitaliserede kvadratursignaler separat med de samme lokalt frembragte digitale koder, kanal signal behandlings-10 organer (73), hvortil udgangssignalerne fra korrelationsorganerne føres, hvilke behandlingsorganer er indrettet til at styre kode- og bærebølgefølgning af modtageren, og korrektionsorganer, der er indrettet til i afhængighed af styresignaler frembragt i behandlingsorganerne at bevirke fasorrotation af basisbåndsignalfasoren 15 repræsenteret ved kvadratursignalerne for at bevirke dopplerfølgning i modtagersløjfen, kendetegnet ved, at modtageren indbefatter et digitalt datalagerorgan (72), som lades med data i form af "opslags"-tabeller, som indbefatter kombinationer af signalindgangstilstande, organer til tilførsel af de digitaliserede kvadra-20 tursignaler som partielle adressesignaler for lagerorganet, og organer (74) til frembringelse af yderligere adressesignaler for lagerorganet i afhængighed af styresignalerne, hvorved fasorrotationskorrektion udføres ved tilgang til lagerorganet i overensstemmelse med adressesignalerne for at frembringe et ud-25 gangssignal for kanal signal behandlingsorganerne.

2. Modtager ifølge krav 1, kendetegnet ved, at modtageren indbefatter organer til frembringelse af yderligere adressesignaler for lagerorganet i afhængighed af de lokale digitale kodefrembringelsesorganer, således at kvadratursignal korrelation 30 også udføres ved tilgang til lagerorganet (72).

3. Modtager ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at dopplerforskydningen bestemt i behandlingsorganerne (73) er en numerisk værdi repræsenteret som et digitalt ord, idet korrektionsorganerne er en numerisk styret oscillator (NCO) (74), hvortil det 35 digitale ord føres, idet udgangssignalet fra NCO er de nævnte yderligere adressesignaler for lagerorganet (72).

4. Modtager ifølge krav 1,2 eller 3, kendetegnet ved, at lagerorganet er implementeret som et programmerbart læsel ager (PROM) (72). DK 166468 B1 10

5. Modtager ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at modtageren indbefatter organer til frembringelse af yderligere adressesignaler for lagerorganet (72) for at bevirke korrelation af de digitaliserede kvadratursignaler 5 med de lokalt frembragte digitale koder, når de lokalt frembragte koder er "tidlig" eller "sen" med hensyn til tiden for modtagelse af kvadratursi gnalerne. 10 15 20 25 30 35