CN1839324A - 通过卫星定位***接收器使相关峰值的检测生效的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使得一个信号与一个本地副本之间的相关峰值的检测生效的方法，所述信号由多个导航卫星发射并且由无线电导航卫星服务(RNSS)接收器接收，由此所述信号对应于多个信号之和，所述多个信号中的每个信号由卫星发送并且每个信号由该卫星特有的扩频信号调制，所述本地回应由接收器生成，所述回应是来自被寻找的卫星特有的扩频信号的回应。本发明的方法包括确定根据时间的接收信号与本地回应之间的相关函数3的步骤。该方法进一步包括比较所述相关函数3与根据时间的被寻找的卫星特有的上述扩频信号的理论上的自相关函数2的步骤。

Description

通过卫星定位***接收器使相关峰值的检测生效的方法

技术领域

本发明涉及通过卫星定位***接收器使相关峰值的检测生效的方法。

背景技术

在使用无线电导航卫星***(RNSS)类型接收器比如全球定位***(GPS)或GLONASS接收器的卫星定位***中，用来计算接收器位置的数据信号来自于不同卫星(至少四个卫星，用以确定四个未知的x、y、z和t)。

由每个卫星发射的GPS信号是基于扩频技术。因此，该信号是由扩频信号通过码分多址(CDMA)方法调制的二进制数据信号。换句话说，数据信号的每个位由每个卫星特有的扩频序列替代。该数据是以50比特/秒(50比特/秒是0.02秒/比特)串行发射的。扩频序列比如Gold伪随机序列是以高得多的速率发射的：Gold序列可视为具有清晰定义的时钟周期的一连串比特；词语“码矩(code moment)”或者它更常遇到的等效用语“码片”是指该序列的比特并且引伸指其时长。扩频序列是以1.023兆码片/秒的速率发射的(于是码片具有约1μs的时长)，并且包括1023个码片(以及具有1ms的时长)：因此每个数据比特就有20个序列重复。

扩频信号的调制意味着普通的解调器将会把收到的信号看作为噪声。

一般来说，两个信号f_i(t)和f_j(t)的相关函数f(τ)由等式 $f\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{+\∞}{\overset{-\∞}{\∫}}{f}_i\left(t\right)\·f_j(t-\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}$ 给定，其中τ表示可变时间。当然在实践中，该积分并不在-∞至+∞中有效而是在有限时间期间有效，该积分除以所述期间的时长。词语“自相关函数”在函数f_i(t)和f_j(t)相同之时是恰当的，词语“互相关函数”在函数f_i(t)和f_j(t)不同时是恰当的。

每个卫星k具有它自己的伪随机信号C_k(t)。这些伪随机信号的每一个具有如下属性：它的自相关函数除了在零时间位移的附近之外都是零，在零时间位移的附近它呈现三角形式；换句话说，积分 $\underset{+\∞}{\overset{-\∞}{\∫}}{C}_k\left(t\right)\·C_k(t-\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}$ 在τ为非零时是零并且在τ为零时处于最大值。

而且，选择多个信号，其中每个信号都与不同卫星相关联，使得它们的互相关函数为零；换句话说，当k和k’不同时，无论τ怎样，积分 $\underset{+\∞}{\overset{-\∞}{\∫}}{C}_k\left(t\right)\·C_k(t-\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}$ 都是零。

因此将来自卫星的扩频信号选择为正交的。

当接收器想要采集来自特定卫星的数据时，接收器将收到的信号与相关卫星的伪随机序列的副本进行相关(卫星的序列一次性地分配给该卫星，并且在卫星的生命期中不改变)。

于是，收到的信号S(T)是由每个卫星发射的信号集之和：

$S\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_k\left(t\right)\·d_k\left(t\right),$ 其中n是卫星的数量，C_k(t)表示来自卫星k的扩频信号，d_k(t)表示来自卫星k的数据。

在想要采集来自卫星m的数据时，本地的副本将对应于信号C_m(t)。因此，在假定扩频信号完全地正交，并且进行相关之后，则消除了来自未被寻找的那些卫星的所有数据(互相关函数是零)，仅留下来自卫星m的数据。由于扩频序列的时长比数据比特的时长小二十倍，所以进行相关是可能的。

信号采集阶段包括以依赖于所需检测性能的深度(该积分的界限)来计算所接收的信号与所需的卫星代码在等效于该代码的期间(1ms)的时间域上的相关。

然而，使用上述种类的方案会产生某些困难。

例如在实践中，来自卫星的扩频信号不会完全地正交。在此情况下，互相关函数会产生相关峰值。这些相关峰值一般在自相关峰值以下超过-24dB。然而，如果未被搜寻的卫星具有高的发射功率(比被寻找的卫星的发射功率高24dB的数量级)，则可能发生的是，互相关函数的次峰值高于被搜寻的自相关函数的主峰值。这种情形尤其是在无线波传播受到干扰的空间中可能出现(一般是在市区和建筑物内部)。该相关峰值检测错误会导致检测错误(因此导致同步时间错误)，因为生效的相关峰值并不对应于被搜寻的卫星。这种错误对于定位准确性明显具有直接影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种使得相关峰值的检测生效的方法，该方法确认相关峰值的检测或者使该检测无效，该相关峰值保留了现存的扩频信号，从而该方法放宽了在设计卫星导航***时对于信号族的设计施加的正交性约束。

为此，本发明提出一种使得一个信号与一个本地副本之间的相关峰值的检测生效的方法，所述信号由多个导航卫星发射并且由RNSS卫星无线电导航接收器接收，所述信号对应于多个信号之和，所述多个信号中的每个信号由卫星发送并且每个信号由所述卫星的扩频信号特性调制，所述本地副本由所述接收器生成，所述副本是被寻找的卫星的扩频信号特性的副本，

所述方法包括确定作为时间函数的所述接收信号与所述本地副本之间的相关函数的步骤，

所述方法的特征在于，它进一步包括在所述相关函数的矢量的整体上比较所述相关函数与作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的理论上的自相关函数的步骤。

由于本发明，一旦已经检测出主峰值，就进行验证，将从接收信号中获得的相关函数与理论上的自相关函数做比较。主峰值对应于计算出的相关函数的最高峰值。实践中，检测相关函数的主峰值，使得假定的同步时间得以确定。计算理论上的自相关函数，以获得以该同步时间为中心的主峰值。这两个函数因此在假定的同步时间周围具有主峰值。这两个函数还具有次峰值或波瓣。通过比较次峰值，也就是通过验证它们是否在同一时间出现，就有可能推断该检测的主峰值是否事实上与被寻找的卫星相关联。

而且，本发明的方法影响了在CDMA***中用于扩频序列设计的方式。该设计不再需要强制地使得与不同卫星相关联的扩频信号之间的互相关函数最小化。这里，该约束可简单地通过使得理论上的自相关函数与每个所述理论上的互相关函数不同来放宽。

本发明的方法有利地包括确定作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的所述理论上的自相关函数的步骤。

自相关函数能够预先加以存储或者每当执行本发明的方法时加以确定。

所述比较所述相关函数与所述理论上的自相关函数的步骤有利地包括比较每个所述函数的次峰值的步骤。

所述比较步骤有利地包括计算所述相关函数与所述自相关函数之间的相关的步骤。

所述扩频信号有利地是以已知的伪随机序列替代所述信号的每个比特来调制所述信号的信号。

在所述相关峰值的检测未生效的情况下，所述方法有利地包括如下步骤：

-确定作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性与不同于被寻找的所述卫星的每个卫星的所述扩频信号特性之间的理论上的互相关函数的步骤；以及

-比较所述相关函数与每个所述理论上的互相关函数的步骤。

有利地选择关联于特定卫星的每个所述扩频信号，使得所述理论上的自相关函数与每个所述理论上的互相关函数不同。

有利地选择关联于特定卫星的每个所述扩频信号，使得每个所述理论上的互相关函数去相关。

本发明还提供一种使得一个信号与一个本地副本之间的相关峰值的检测生效的设备，所述信号由多个导航卫星发射并且由RNSS卫星无线电导航接收器接收，所述信号对应于多个信号之和，所述多个信号中的每个信号由卫星发送并且每个信号由所述卫星的扩频信号特性调制，被寻找的卫星的扩频信号特性的所述本地副本由所述接收器生成，

所述设备包括用于确定作为时间函数的所述接收信号与所述本地副本之间的相关函数的装置，

所述设备的特征在于，它进一步包括用于在所述相关函数的矢量的整体上比较所述相关函数与作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的理论上的自相关函数的装置。

将该生效设备集成到RNSS卫星无线电导航接收器中，用于确定相关函数的装置以及比较装置例如采用软件装置的形式。

附图说明

本发明的其他特征和优点在通过说明性和非限制性的示例来给出的本发明一个实施例的如下描述中将变得明显。

在附图中：

-图1代表了说明本发明方法的操作的第一相关曲线图；

-图2代表了说明本发明方法的操作的第二相关曲线图。

具体实施方式

图1代表了说明本发明方法的操作的第一曲线图1。曲线图1包括实线曲线3，该实线曲线代表了作为时间变量τ的函数的由GPS接收器从多个卫星接收的信号与该接收器想与之同步的卫星的本地副本之间的相关函数。曲线3具有：

-以时间τ₀为中心的主峰值6，该时间τ₀假定为同步时间；

-次峰值7。

本发明的方法验证了时间τ₀真正地是同步时间。

为此，曲线图1包括也是作为时间变量τ的函数的虚线曲线2，该虚线曲线代表了被寻找的卫星的扩频信号特性的理论上的自相关函数，并且生成了以τ₀为中心的主相关峰值4。换句话说，如果C_m(t)是来自被寻找的卫星m的扩频信号，则代表了函数g(τ)的曲线2由下式给定：

$g\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{+\∞}{\overset{-\∞}{\∫}}{C}_m(t-{\mathrm{\τ}}_0)\·C_m(t-\mathrm{\τ})\·\mathrm{dt}$

曲线2还具有次峰值5。

比较曲线2和3，表明了它们具有完全相同的次峰值5和7。这可通过使得曲线3的相关函数与曲线2的自相关函数进行相关来确认。因此在图1中，本发明的方法使得与同步时间τ₀相关联的相关峰值的检测生效。

以相似的方式，图2代表了也说明了本发明方法的第二曲线图10。该曲图线10包括作为时间变量τ的函数的两个曲线20和30。

实线曲线30代表了作为时间变量τ的函数的由GPS接收器从多个卫星接收的信号与该接收器想与之同步的卫星的本地副本之间的相关函数。与图1中的曲线3相似，曲线30具有以时间τ₁为中心的主峰值以及次峰值。

虚线曲线20代表了被寻找的卫星的扩频信号特性的理论上的自相关函数，该函数生成了也是以τ₁为中心的主相关峰值。

与图1中所示的不同，曲线20和30这里具有许多不同的次峰值，因此相互不太相关。结果，与同步时间τ₁相关联的相关峰值的检测并不生效。本发明的方法是针对检测错误——已被找到的相关峰值并不对应于被寻找的卫星。

这里标记了这些峰值。这意味着相干积分(不是相关函数的平方)。本发明还应用于非相干积分(相关函数的平方)。不过，该判别将没有那么大的区别，因为所有次峰值将是同一标记，这样只有峰值位置的差异将影响外形特征上的差异。

注意的是，该方法可扩展到确定错误的峰值所涉及的卫星。这足以用来确定作为时间τ的函数的被寻找的卫星的扩频信号特性与不同于被寻找的卫星的每个卫星的扩频信号特性之间理论上的互相关函数。然后使得每个互相关函数与曲线30的相关函数相关；获得的最佳相关确定了相应的卫星。

当然，本发明不限于已经描述的实施例。

特别地，本发明已经在GPS***的情况中加以描述，但是等同地应用到任何其他RNSS***，比如GLONASS或GALILEO类型接收器。

Claims (9)

1.一种使得一个信号与一个本地副本之间的相关峰值的检测生效的方法，所述信号由多个导航卫星发射并且由RNSS卫星无线电导航接收器接收，所述信号对应于多个信号之和，所述多个信号中的每个信号由卫星发送并且每个信号由所述卫星的扩频信号特性调制，所述本地副本由所述接收器生成，所述副本是被寻找的卫星的扩频信号特性的副本，

所述方法包括确定作为时间函数的所述接收信号与所述本地副本之间的相关函数(3)的步骤，

所述方法的特征在于，它进一步包括在所述相关函数的矢量的整体上比较所述相关函数(3)与作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的理论上的自相关函数(2)的步骤。

2.按照权利要求1的生效方法，其特征在于，它包括确定作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的所述理论上的自相关函数的步骤。

3.根据前述权利要求的任一项的生效方法，其特征在于，比较所述相关函数(3)与所述理论上的自相关函数(2)的所述步骤包括比较每个所述函数的次峰值(5，7)的步骤。

4.根据权利要求1或2的生效方法，其特征在于，所述比较步骤包括计算所述相关函数与所述自相关函数之间的相关的步骤。

5.根据权利要求1至4的任一项的生效方法，其特征在于，所述扩频信号是以已知的伪随机序列替代所述信号的每个比特来调制所述信号的信号。

6.根据前述权利要求的任一项的生效方法，其特征在于，在所述相关峰值的检测未生效的情况下，所述方法包括如下步骤：

-确定作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性与不同于被寻找的所述卫星的每个卫星的所述扩频信号特性之间的理论上的互相关函数的步骤；以及

-比较所述相关函数与每个所述理论上的互相关函数的步骤。

7.根据前一权利要求的生效方法，其特征在于，选择关联于特定卫星的每个所述扩频信号，使得所述理论上的自相关函数与每个所述理论上的互相关函数不同。

8.根据权利要求6或7的生效方法，其特征在于，选择关联于特定卫星的每个所述扩频信号，使得每个所述理论上的互相关函数去相关。

9.一种使得一个信号与一个本地副本之间的相关峰值的检测生效的设备，所述信号由多个导航卫星发射并且由RNSS卫星无线电导航接收器接收，所述信号对应于多个信号之和，所述多个信号中的每个信号由卫星发送并且每个信号由所述卫星的扩频信号特性调制，被寻找的卫星的扩频信号特性的所述本地副本由所述接收器生成，

所述设备包括用于确定作为时间函数的所述接收信号与所述本地副本之间的相关函数(3)的装置，

所述设备的特征在于，它进一步包括用于在所述相关函数的矢量的整体上比较所述相关函数(3)与作为时间函数的被寻找的所述卫星的所述扩频信号特性的理论上的自相关函数(2)的装置。

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