專(zhuān)利名稱(chēng)：Gps接收器快速捕獲碼相位和載頻的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及GPS定位系統(tǒng)。本發(fā)明更特別涉及GPS定位系統(tǒng)中的改進(jìn)的碼相位和載頻的獲取。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)在許多應(yīng)用領(lǐng)域被用來(lái)確定方位，例如，在導(dǎo)航方面，使用者可利用GPS接收器確定其即時(shí)方位及其方位隨時(shí)間的變化。GPS接收器的另一個(gè)用途是追蹤目標(biāo)，例如，將GPS接收器放在卡車(chē)上就可追蹤卡車(chē)的移動(dòng)，將接收器連到船貨上就可精確追蹤其位置。這些原理可擴(kuò)展到公共運(yùn)輸業(yè)者的車(chē)船隊(duì)管理和貨運(yùn)商的投送管理。應(yīng)用GPS接收器的定位能力，許多附加的和新的服務(wù)項(xiàng)目正在開(kāi)展和擴(kuò)大。
圖1是用于定位的常規(guī)GPS接收器101的示意圖。在圖1中，GPS接收器101被簡(jiǎn)化以指明常規(guī)GPS接收器的基本相關(guān)功能，天線102從GPS衛(wèi)星103a、103b、103c和103d接收GPS信號(hào)，再將接收到的信號(hào)傳送給信號(hào)調(diào)節(jié)處理器104，信號(hào)調(diào)節(jié)處理器104將信號(hào)放大、過(guò)濾并下變換到要處理的基帶，基帶信號(hào)被傳送到處理塊106中進(jìn)入載波和碼相位追蹤算法。處理塊106包括乘法器108、相關(guān)器110、載頻振蕩器112、金色碼發(fā)生器114和積分器116。乘法器108根據(jù)從載頻振蕩器112接收的估測(cè)載頻乘法基帶信號(hào)。載頻振蕩器112可能是壓控振蕩器(VCO)或數(shù)控振蕩器(NCO)。相關(guān)器110使信號(hào)與編碼發(fā)生器114產(chǎn)生的金色碼的復(fù)本發(fā)生關(guān)聯(lián)。金色碼是各GPS衛(wèi)星產(chǎn)生的唯一的和已知的編碼。名詞“編碼”和“金色碼”在這里可互換使用。相關(guān)器110的輸出在積分器116中求積分。積分器116的輸出是數(shù)字信號(hào)處理器118的輸入，它產(chǎn)生編碼跟蹤發(fā)生器114和載頻振蕩器112所需要的信息，這些信息包括載波相位和碼相位信息。
載波振蕩器112、乘法器108、積分器116和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)118組合工作形成補(bǔ)償下變換基準(zhǔn)頻率中的誤差及與特定衛(wèi)星相關(guān)的多普勒頻移的載波跟蹤回路。編碼發(fā)生器114、相關(guān)器110、積分器116和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)118組合工作形成補(bǔ)償接收信號(hào)碼相位中的任何頻移的編碼跟蹤回路。
一般情況下，常規(guī)GPS接收器中有一系列的處理塊106平行地工作，這些處理塊各自對(duì)應(yīng)于不同的GPS衛(wèi)星，通常，每個(gè)GPS衛(wèi)星至少有兩個(gè)處理塊106。
GPS接收器101在處理GPS信號(hào)的兩種模式下工作。首先，接收器必須捕獲GPS信號(hào)的載頻和金色碼相位，這被稱(chēng)為捕獲模式。其次，接收器101必須以捕獲相中確定的載頻和金色碼相位作為起點(diǎn)跟蹤載頻和金色碼相位，這被稱(chēng)為跟蹤模式。
在捕獲模式階段，GPS接收器要應(yīng)用先驗(yàn)的信息，比如接收者已知GPS信號(hào)的標(biāo)稱(chēng)載頻。但是，由于幾種原因該標(biāo)稱(chēng)載頻很可能不是接收器實(shí)際接收到的載頻。首先，由于傳輸衛(wèi)星與接收器的相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移改變了接收的載頻，其次，本機(jī)振蕩器(未顯示)會(huì)產(chǎn)生本身的誤差。因此，載頻和金色碼偏移(金色碼相位)都必須測(cè)定。
為進(jìn)行這些測(cè)定，常規(guī)GPS接收器通常要通過(guò)嘗試載頻和碼相位的不同組合進(jìn)行一系列的檢索，直到積分器116的輸出超過(guò)預(yù)定的限度，顯示已獲得了匹配。對(duì)于接收器將用于定位的各GPS衛(wèi)星都必須進(jìn)行這種檢索，GPS接收器可利用上述的多處理通道平行地進(jìn)行檢索。
圖2圖解表示常規(guī)GPS接收器101測(cè)定載頻和金色碼相位的檢索過(guò)程。振蕩器112一般被設(shè)定到GPS信號(hào)的標(biāo)稱(chēng)載頻，另外，編碼發(fā)生器114以起始碼相位產(chǎn)生編碼。如果接收到的載頻和碼相位分別與振蕩器112產(chǎn)生的載頻和編碼發(fā)生器114產(chǎn)生的編碼的碼相位匹配，則積分器116的輸出相對(duì)較高，相反，如果載頻或碼相位不匹配，則積分器116的輸出相對(duì)較低，且可能基本上是噪聲。
通常，常規(guī)檢索算法首先設(shè)定一頻率并使金色碼相位變化，隨著碼相位的改變，控制器118檢測(cè)積分器116的輸出，如果積分器116的輸出超過(guò)預(yù)定的限度，控制器118假定已獲得了鎖并且控制器118使接收器利用載頻和碼相位的檢索算法測(cè)定的值進(jìn)入跟蹤模式；如果積分器116的輸出未超過(guò)預(yù)定的限度，控制器118假定還未獲得鎖。一旦所有的碼相位(碼相位cp1-cpN)都已試過(guò)，控制器118轉(zhuǎn)換載頻振蕩器以輸出載頻f2。這一過(guò)程對(duì)cp1到cpN的各碼相位、頻率1到頻率M的各頻率重復(fù)進(jìn)行，除非控制器118因積分器116的輸出顯示鎖定狀態(tài)而提前中止該過(guò)程。如果沒(méi)有找到頻率碼相位的組合，接收器就不能捕獲信號(hào)。
常規(guī)GPS接收器在接收信號(hào)的不同部分執(zhí)行上述過(guò)程的各步驟，即在各步驟中，接收器接收的GPS信號(hào)的新的部分被處理。雖然有時(shí)候常規(guī)GPS接收器能在幾秒鐘內(nèi)捕獲GPS信號(hào)，但通常捕獲時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的。
經(jīng)過(guò)捕獲模式后，接收器轉(zhuǎn)換到跟蹤模式。在跟蹤模式中，接收器連續(xù)地調(diào)整振蕩器112的頻率和金色碼相位的偏移以維持對(duì)進(jìn)來(lái)的載波和碼相位的鎖定。碼相位跟蹤典型地以著名的應(yīng)用分別產(chǎn)生早編碼和遲編碼(以及準(zhǔn)時(shí)編碼)的早編碼和遲編碼發(fā)生器的方式輔助完成，如果接收到的編碼與早編碼關(guān)聯(lián)較好，控制器118減小編碼發(fā)生器114的相位延遲；如果接收到的編碼與遲編碼關(guān)聯(lián)較好，控制器118增加編碼發(fā)生器114的相位延遲；如果接收到的編碼與準(zhǔn)時(shí)編碼關(guān)聯(lián)最好則不作改變。
載波跟蹤典型地通過(guò)分析積分器輸出信號(hào)的相位完成，如果振蕩器112產(chǎn)生的載頻與接收的載波匹配，則不會(huì)有相位旋轉(zhuǎn)；如果沒(méi)有這種匹配，則控制器118提高或降低振蕩器112的頻率以補(bǔ)償任何相位旋轉(zhuǎn)。
除跟蹤外，接收器可以解調(diào)調(diào)制在GPS信號(hào)載波上的50Hz數(shù)據(jù)，該50Hz的信號(hào)載波信息涉及到傳輸該信號(hào)的特定衛(wèi)星。例如，該信號(hào)包含提供該GPS衛(wèi)星位置及移動(dòng)信息的天文信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及通過(guò)只應(yīng)用接收到的GPS信號(hào)的非常短的部分以縮短捕獲GPS信號(hào)所需時(shí)間而改進(jìn)GPS接收器的捕獲相，即，本發(fā)明縮短了接收器測(cè)定正確的載頻和金色碼相位所需的時(shí)間。這一信息能取代常規(guī)GPS接收器的捕獲相以提供接收器在跟蹤相中使用的載頻和金色碼相位的初始值。另外，使用本發(fā)明獲得的碼相位測(cè)定值本身能被用來(lái)確定在如Kilfeather等人的美國(guó)專(zhuān)利6,243,648號(hào)描述的系統(tǒng)中的位置。在這里將該專(zhuān)利全文引用。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，GPS信號(hào)被接收并被信號(hào)調(diào)節(jié)處理器調(diào)節(jié)。這樣接收到的GPS信號(hào)是具有接收器視域中所有GPS信號(hào)的成分的復(fù)合信號(hào)，該信號(hào)的一短片段被收集并儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，對(duì)這一短片段信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)以將其轉(zhuǎn)換到頻域。金色碼序列是被產(chǎn)生出來(lái)的，對(duì)產(chǎn)生的金色碼序列進(jìn)行FFT以將其轉(zhuǎn)換到頻域。因?yàn)榻鹕a序列是已知序列，產(chǎn)生金色碼序列并將其轉(zhuǎn)換到頻域優(yōu)選為預(yù)先處理的事件，即金色碼序列及其頻域再現(xiàn)可在使用GPS定位之前預(yù)先計(jì)算。在這種方式中，金色碼序列和/或其頻率再現(xiàn)被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中以備將來(lái)使用。短片段輸入信號(hào)和金色碼序列的FFT被相乘，其乘積進(jìn)行反相FFT以將其轉(zhuǎn)換到時(shí)域。該時(shí)域的再現(xiàn)為該短片段輸入信號(hào)與產(chǎn)生的金色碼序列的卷積。振幅計(jì)算器逐點(diǎn)計(jì)算時(shí)域積的振幅，峰檢測(cè)器確定峰所在的位置，該峰代表短片段信號(hào)中的碼相位。
如果沒(méi)有峰出現(xiàn)，控制器轉(zhuǎn)到新的載頻并重復(fù)該程序。這可以通過(guò)將時(shí)域信號(hào)乘以具有與頻移相等的頻率的復(fù)指數(shù)進(jìn)行，或者，這可以通過(guò)按預(yù)定數(shù)量的位元(bin)向一方向或另一方向位移輸入的GPS信號(hào)或金色碼的頻率再現(xiàn)中的所有位元來(lái)進(jìn)行，頻移將等于FFT結(jié)果與位移的位元數(shù)相乘的值，然后繼續(xù)金色碼的檢測(cè)程序。該過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行直到峰出現(xiàn)，或者如果所有要求的頻率被測(cè)試后仍沒(méi)有峰出現(xiàn)，該過(guò)程會(huì)以捕獲不成功結(jié)束。該全部過(guò)程對(duì)影響輸入信號(hào)的各GPS衛(wèi)星以唯一對(duì)應(yīng)于各該衛(wèi)星的金色碼重復(fù)進(jìn)行。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述程序在輸入的GPS信號(hào)的較長(zhǎng)片段上進(jìn)行，以便能夠使用積分使碼相位峰更清晰。在該實(shí)施例中，輸入GPS信號(hào)的多毫秒片段被收集并儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，輸入的GPS信號(hào)被分成1-ms片段，各毫秒片段轉(zhuǎn)換到頻域作為該片段的頻域再現(xiàn)，該頻域再現(xiàn)乘以唯一對(duì)應(yīng)于接收器視域中一個(gè)衛(wèi)星的金色碼的頻率再現(xiàn)。優(yōu)選情況下，金色碼的頻率再現(xiàn)在接收器工作之前產(chǎn)生和儲(chǔ)存。上述各乘法運(yùn)算的乘積被轉(zhuǎn)換到時(shí)域并代表各1-ms片段與特定衛(wèi)星金色的卷積，對(duì)卷積中各點(diǎn)的振幅進(jìn)行計(jì)算，將全部卷積中的振幅逐點(diǎn)積分(相加)，然后峰被測(cè)定，峰的位置對(duì)應(yīng)于碼相位。載頻按上述方法通過(guò)頻域中輸入信號(hào)或金色碼的適當(dāng)位移來(lái)測(cè)定。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述的積分應(yīng)用相干處理進(jìn)行。進(jìn)行兩個(gè)步驟，第一步驟是應(yīng)用上述的多毫秒方法測(cè)定近似的碼相位(卷積中的峰位置)和近似的載頻，然后，復(fù)雜的正弦波擬合到卷積中峰所在位置的點(diǎn)，正弦波的頻率為接收的載波與估測(cè)的近似載波頻率的差值。卷積中的點(diǎn)通過(guò)各卷積與復(fù)指數(shù)在等于擬合正弦波的頻率進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)以消除頻率差異。這樣做的時(shí)候，使卷積相互相干。然后卷積進(jìn)行逐點(diǎn)積分(相加)，在所有點(diǎn)取得和的振幅并確定峰的位置。該過(guò)程通過(guò)旋轉(zhuǎn)、相加、及只取峰可能位置的周?chē)头灞旧淼囊恍c(diǎn)的振幅得到優(yōu)化，然后運(yùn)用內(nèi)插技術(shù)進(jìn)一步細(xì)化峰的位置。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，碼相位(峰的位置)進(jìn)一步通過(guò)補(bǔ)償樣本時(shí)鐘脈沖頻率的誤差進(jìn)行細(xì)化，樣本時(shí)鐘脈沖頻率誤差的估測(cè)值由頻率偏移得出。該估測(cè)樣本誤差時(shí)鐘被用于增強(qiáng)確定峰位置的內(nèi)插技術(shù)。
本發(fā)明在詳細(xì)說(shuō)明、附圖和附加權(quán)利要求書(shū)中將進(jìn)行更詳細(xì)地描述。


圖1為用于定位的常規(guī)GPS接收器的示意圖。
圖2為常規(guī)GPS接收器測(cè)定載頻和金色碼相位的檢索過(guò)程的圖示。
圖3為按照本發(fā)明GPS接收器捕獲從能被使用的一個(gè)或多個(gè)GPS衛(wèi)星接收的GPS信號(hào)的示意圖。
圖4為測(cè)定金色碼序列位置的處理器的示意圖。
圖5A為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例進(jìn)行頻域處理的示意圖。
圖5B為按照本發(fā)明的第二實(shí)施例進(jìn)行頻域處理的示意圖。
圖6為按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的多毫秒片段輸入GPS信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)施示意圖。
圖7顯示按照本發(fā)明的相干過(guò)程。
圖8顯示儲(chǔ)存預(yù)先計(jì)算的相對(duì)于金色碼的輸入信號(hào)時(shí)間偏移的表的使用。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及通過(guò)只應(yīng)用接收到的GPS信號(hào)的非常短的片段以縮短捕獲GPS信號(hào)所需時(shí)間而改進(jìn)GPS接收器的捕獲相，優(yōu)選輸入GPS信號(hào)的短片段為1毫秒到1秒。因此，本發(fā)明縮短了接收器測(cè)定正確的載頻和金色碼相位需要的時(shí)間。本發(fā)明允許使用短至為期1毫秒的信號(hào)采集片段進(jìn)行信號(hào)捕獲。
圖3為按照本發(fā)明GPS接收器301捕獲從能被使用的一個(gè)或多個(gè)GPS衛(wèi)星接收的GPS信號(hào)的示意圖。為清晰起見(jiàn)，下面只描述單個(gè)通道，但是對(duì)金色碼發(fā)生進(jìn)行適當(dāng)改變，所描述的單個(gè)通道就能在同時(shí)處理視域中所有GPS衛(wèi)星的輸入信號(hào)中重復(fù)，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員這是顯而易見(jiàn)的。各通道使用產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該通道要接收其信號(hào)的特定GPS衛(wèi)星的金色碼的金色碼發(fā)生器，或者，通過(guò)依次使用各GPS衛(wèi)星的金色碼處理信號(hào)按串行模式使用單個(gè)通道。
接收器301包括天線302以接收復(fù)合GPS信號(hào)，即接收器301接收的輸入GPS信號(hào)有來(lái)自接收器301視域中所有GPS衛(wèi)星的成分。天線302連接到信號(hào)調(diào)節(jié)處理器304，信號(hào)調(diào)節(jié)處理器304放大并過(guò)濾由天線302收集的GPS信號(hào)，優(yōu)選情況信號(hào)調(diào)節(jié)處理器304也將該信號(hào)轉(zhuǎn)換到進(jìn)行處理的其它一些頻率，如基帶?；鶐盘?hào)由一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器306數(shù)字化，然后數(shù)字化信號(hào)被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器312中，存儲(chǔ)器312可由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)308存取或?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理器(DSP)308的一部分，處理器310使用存儲(chǔ)器312按下面描述的方法處理GPS信號(hào)以捕獲信號(hào)，即測(cè)定影響GPS信號(hào)的各GPS衛(wèi)星的載頻和碼相位。
A/D轉(zhuǎn)換器306是任何可在兩倍信息帶寬數(shù)字化該信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器，在該情況下，信息帶寬是GPS碼元率(chip rate)1.023MHz(假定信號(hào)調(diào)節(jié)處理器304下變換信號(hào)到基帶)，因此對(duì)于復(fù)雜信號(hào)，最小采樣率是1.023MHz。通常，采樣率越高越好，但采樣率受存儲(chǔ)器312大小的限制。采樣率優(yōu)選為2.048MHz。
GPS信號(hào)的任何片段都能被儲(chǔ)存在312存儲(chǔ)器中，但儲(chǔ)存的GPS信號(hào)片段優(yōu)選大于1毫秒、小于1秒。信號(hào)越多積分時(shí)間越長(zhǎng)，這在低信噪比(SNR)時(shí)很有用，但帶來(lái)處理時(shí)間延長(zhǎng)的損失。由本發(fā)明的各實(shí)施確定了一個(gè)折衷設(shè)計(jì)方案。
如上所述，數(shù)字化的GPS信號(hào)包含來(lái)自接收器視域中各GPS衛(wèi)星的成分，接收器利用多種眾所周知的途徑提供的公開(kāi)信息確定哪一顆衛(wèi)星在視域中，例如，接收器可以將接收的信號(hào)與所有公布的GPS金色碼關(guān)聯(lián)?；蛘?，如果接收器具有當(dāng)前年歷、當(dāng)前時(shí)間和大概方位(例如其最后的定位)，接收器可以計(jì)算出視域中的GPS衛(wèi)星。此外，GPS接收器能從通信聯(lián)系中獲知哪一顆衛(wèi)星在視域中，在這種方式中，接收器知道在其處理過(guò)程中使用哪一個(gè)金色碼序列。
金色碼相位和載頻按下述方法從儲(chǔ)存的輸入GPS信號(hào)測(cè)定。名詞“金色碼延時(shí)”、“金色碼相位”和“碼相位”在這里互換使用。如上所述，各GPS衛(wèi)星被賦予一個(gè)在GPS信號(hào)中傳輸?shù)奈ㄒ坏慕鹕a，因此，天線302采集的復(fù)合信號(hào)包含GPS信號(hào)和GPS接收器視域中各衛(wèi)星相應(yīng)的金色碼。金色碼是可公開(kāi)獲得的。
在金色碼中有1023比特或碼元，按1.023MHz率傳輸，因此完整的金色碼序列有1-ms長(zhǎng)(即每毫秒重復(fù)一次)，每20金色碼序列(20毫秒)可能有一個(gè)GPS信號(hào)的180°相移(或相變)。如果相移發(fā)生，信號(hào)反轉(zhuǎn)。因此，獲得至少1-ms片段的GPS信號(hào)保證了收集到至少一個(gè)金色碼的完整序列。其后的問(wèn)題是找出采集的1-ms輸入GPS信號(hào)片段中序列開(kāi)始的地方。
圖4為處理器310測(cè)定金色碼序列位置的更詳細(xì)的示意圖。儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器312中的數(shù)字化信號(hào)與已知的金色碼卷積以確定金色碼開(kāi)始的地方，已知的金色碼是由金色碼發(fā)生器402產(chǎn)生的，金色碼發(fā)生器402產(chǎn)生的金色碼與接收的GPS信號(hào)在卷積器404中卷積，卷積器404輸出卷積信號(hào)406，各峰406a、406b、406c或406d代表金色碼發(fā)生器402產(chǎn)生的金色碼與數(shù)字化GPS信號(hào)中的金色碼匹配最好的地方。注意峰406c是倒轉(zhuǎn)的，這是GPS信號(hào)中固有的每20毫秒可能發(fā)生的180°相移(在這里也稱(chēng)作“相變”)效應(yīng)的例子。
正如所知的，時(shí)間域中的卷積是密集的計(jì)算過(guò)程，因此，本發(fā)明優(yōu)選使用接收到的GPS信號(hào)與已知的金色碼副本進(jìn)行卷積的頻域技術(shù)。
圖5A是按照本發(fā)明的頻域處理示意圖。為清晰起見(jiàn)，該過(guò)程按1-ms片段的輸入GPS信號(hào)進(jìn)行說(shuō)明。金色碼序列發(fā)生器402產(chǎn)生1-ms(即全周期)片段的金色碼，該金色碼被輸入FFT運(yùn)算5 06a；數(shù)字化的1-ms接收GPS信號(hào)504片段被輸入FFT運(yùn)算506b，F(xiàn)FT運(yùn)算的輸出為該信號(hào)的頻域再現(xiàn)，金色碼和輸入GPS信號(hào)片段的頻域再現(xiàn)由頻域乘法器508相乘。
正如所知，頻域中的乘法運(yùn)算與時(shí)域中的卷積相等，但所需的運(yùn)算少得多。頻域乘積通過(guò)反向FFT運(yùn)算510轉(zhuǎn)換回時(shí)域，振幅計(jì)算器512在反向FFT運(yùn)算510的輸出上進(jìn)行逐點(diǎn)的振幅計(jì)算，峰檢測(cè)器514通過(guò)檢測(cè)超過(guò)預(yù)定限度的位元值以確定峰的位置。該位元被作為接收的GPS信號(hào)的碼相位。內(nèi)插技術(shù)可用來(lái)細(xì)化峰位置，這一方法將在下面進(jìn)行說(shuō)明。
可以采用任意大小的FFT，但是，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)FT結(jié)果隨被處理的信號(hào)及處理所在的階段變化。此外，不需要FFTs和2的冪，但是2的冪是優(yōu)選，因?yàn)槠湓试S使用計(jì)算效率較高的算法如FFT。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，F(xiàn)FT結(jié)果是1KHz/位元，輸入信號(hào)在4.096MHz數(shù)字化，為獲得1KHz的解析度，4096點(diǎn)的FFT被用來(lái)將引入的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域。因?yàn)樾畔捠?.023MHz，信號(hào)被重復(fù)采樣，因此只有最低的1024點(diǎn)被使用，由1.024MHz有效帶寬FFT產(chǎn)生1KHz的解析度。
如上所述，金色碼序列對(duì)各GPS衛(wèi)星是唯一的，它是持久的和不變的編碼，因此，金色碼序列的FFT可預(yù)先計(jì)算并儲(chǔ)存在非易失的存儲(chǔ)器中，如ROM、PROM、EPROM、EEPROM或任何其它的非易失存儲(chǔ)器。另外，F(xiàn)FT可從開(kāi)始就儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器312中。圖5B是按照本發(fā)明的第二實(shí)施例金色碼的頻域再現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行之前預(yù)先計(jì)算并儲(chǔ)存的系統(tǒng)示意圖。預(yù)先計(jì)算的金色碼520的頻域再現(xiàn)被輸入頻域乘法器508并進(jìn)行如上所述的后續(xù)程序。
本發(fā)明提出的另一改進(jìn)來(lái)自下述認(rèn)識(shí)，即GPS接收器視域中各GPS衛(wèi)星的影響都出現(xiàn)在復(fù)合的輸入GPS信號(hào)中，因此，同一個(gè)信號(hào)片段可用于所有的GPS衛(wèi)星，因而，輸入的信號(hào)片段只需要轉(zhuǎn)換到頻域中一次。
如上所述，如果用來(lái)混合到基帶的載頻不是正確的載頻，乘法器404或508的輸出基本上是噪聲，因此，振幅計(jì)算器512產(chǎn)生的振幅中將沒(méi)有可分辨的峰，即，可能沒(méi)有位元具有超過(guò)預(yù)定限度的值而形成峰。當(dāng)該情況發(fā)生，處理器310假定用于產(chǎn)生金色碼的載頻是不正確的，因此，它按預(yù)定的量改變載頻并重復(fù)以上過(guò)程。它繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，直到一系列不連續(xù)的載頻經(jīng)過(guò)測(cè)試覆蓋了預(yù)期的混合信號(hào)到基帶的振蕩器的多普勒不定度和頻率不定度。一旦某載頻被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生峰(具有大于預(yù)定限度的值的位元)，處理器310中止載頻檢索并使用產(chǎn)生峰的該載頻。
由于數(shù)字化的信號(hào)早已轉(zhuǎn)換到頻域，使用本發(fā)明的頻移相對(duì)簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樾盘?hào)的頻率可簡(jiǎn)單地通過(guò)將信號(hào)的FFT移位N個(gè)位元改變，整個(gè)頻移是各位元解析度的N倍，左移降低頻率，而右移增高頻率。如果需要不同于該位元解析度的頻移，它通過(guò)將信號(hào)的時(shí)域再現(xiàn)乘以具有與FFT之前的預(yù)期偏移相等的頻率的復(fù)指數(shù)完成。
另外，為將與實(shí)際載頻不匹配造成的損失最小化，載頻也按半位元解析度步進(jìn)，其完成的方式是將儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器312中的數(shù)字化信號(hào)乘以具有與半個(gè)位元解析度相等頻率的復(fù)指數(shù)，然后進(jìn)行該半位元移位頻率的FFT并對(duì)該信號(hào)重復(fù)上述過(guò)程，將獲得的最高峰進(jìn)行比較，對(duì)應(yīng)于兩峰中較高的峰的載頻和碼相位被選作碼相位和載頻，應(yīng)該注意的是頻移越小，即解析度越高，獲得的結(jié)果越好，但是，這樣較高解析度的處理需要更多的處理時(shí)間來(lái)進(jìn)行。
金色碼在1.024MHz采樣，雖然金色碼可以在其固有的1.023MHz采樣，但優(yōu)選在2的冪的率采樣以便可以使用如FFT的高效運(yùn)算，1024點(diǎn)的FFT被用在采樣的金色碼序列上。
如上所述，金色碼序列對(duì)各衛(wèi)星是唯一的，它是持久的(即對(duì)于特定的衛(wèi)星不發(fā)生改變)和眾所周知的，因而，各衛(wèi)星的金色碼及隨后的頻率再現(xiàn)可以預(yù)先計(jì)算并儲(chǔ)存在表中以備稍后訪問(wèn)。因此，各衛(wèi)星的金色碼序列被應(yīng)用于FFT運(yùn)算以產(chǎn)生各自金色碼的頻率再現(xiàn)，在接收器進(jìn)入操作之前這些金色碼的頻率再現(xiàn)被儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。這些金色碼的頻率再現(xiàn)能被儲(chǔ)存在任何類(lèi)型的非易失存儲(chǔ)器中，如ROM、EPROM、EEPROM及任何其它能被處理器310存取的存儲(chǔ)設(shè)備，而且頻率再現(xiàn)優(yōu)選儲(chǔ)存在表中，當(dāng)處理器310需要特定衛(wèi)星金色碼的頻率再現(xiàn)時(shí)，它從表中取回而不是占用運(yùn)行時(shí)間計(jì)算該金色碼的頻率再現(xiàn)。
預(yù)先計(jì)算的金色碼序列也更有效地進(jìn)行前述的半位元分析，在這種情況下，金色碼頻率再現(xiàn)按半位元移位并儲(chǔ)存在上述的儲(chǔ)存非移位金色碼的存儲(chǔ)器中，移位金色碼被用于半位元分析。改善的計(jì)算效率必須與額外的儲(chǔ)存預(yù)先計(jì)算半位元移位金色碼的存儲(chǔ)資源相當(dāng)。對(duì)于輸入信號(hào)的頻率位移，頻移越小獲得的結(jié)果越好，即解析度越高。但是，同樣，解析度越高需要的處理時(shí)間也越多。
輸入信號(hào)和特定衛(wèi)星金色碼的頻域再現(xiàn)相乘以產(chǎn)生積信號(hào)，該積信號(hào)是輸入信號(hào)和金色碼卷積的頻域再現(xiàn)，反向FFT運(yùn)算510進(jìn)行反向FFT操作以獲得這兩種信號(hào)的時(shí)域卷積。
反向FFT運(yùn)算510能進(jìn)行1024點(diǎn)反向FFT，但是，其結(jié)果能通過(guò)增加反向FFT操作的解析度得到顯著改善，這由附加0’s到積信號(hào)的末端完成，例如，附加1024 0’s到積信號(hào)的末端并進(jìn)行2048點(diǎn)反向FFT可使解析度加倍，同樣地，附加3072 0’s到積信號(hào)的末端并進(jìn)行4096點(diǎn)反向FFT可使解析度成四倍，按這種方式增加FFTs和反向FFTs的解析度在本領(lǐng)域技術(shù)人員中是眾所周知的。
增加反向FFT的解析度降低了輸入信號(hào)和金色碼的卷積真實(shí)峰落在反向FFT操作的位元之間的危險(xiǎn)，在位元之間擴(kuò)散的峰能量可能使峰更難于檢測(cè)到，特別是GPS接收器在高噪聲環(huán)境中運(yùn)行時(shí)。此外，在任一位元中的峰能量可能不會(huì)高于預(yù)定限度，其結(jié)果峰檢測(cè)器514將檢測(cè)不到確實(shí)存在的峰。增加反向FFT操作的解析度避免了該問(wèn)題。
進(jìn)行4096點(diǎn)輸入信號(hào)FFT的另一后果是，當(dāng)進(jìn)行上述頻移時(shí)位移應(yīng)使用原始FFT中的4096點(diǎn)進(jìn)行，雖然位移可以只使用1024的最低點(diǎn)進(jìn)行，但使用4096點(diǎn)FFT位移可獲得比使用最低的1024點(diǎn)更精確的結(jié)果。
因?yàn)镚PS信號(hào)是極弱的，如果只在1毫秒上進(jìn)行積分，很可能檢測(cè)不到峰，因此，如果數(shù)毫秒輸入GPS信號(hào)被數(shù)字化、儲(chǔ)存和處理，結(jié)果會(huì)得到改善，例如，使用4或16毫秒數(shù)據(jù)改善結(jié)果是由于在這些時(shí)間段上積分克服了噪聲效果，雖然使用多毫秒，優(yōu)選毫秒數(shù)為1毫秒的整數(shù)倍以使在采集的信號(hào)的各毫秒中觀察到完整的金色碼序列，金色碼(其重復(fù)周期是1毫秒)在采集的信號(hào)的各毫秒樣本中應(yīng)該在相同的位置出現(xiàn)。
圖6是按照本發(fā)明的第三實(shí)施例對(duì)輸入GPS信號(hào)多毫秒片段進(jìn)行處理的系統(tǒng)601的實(shí)施示意圖。在圖6中，4ms的輸入信號(hào)602片段被采集以作處理，如上所述，采集的信號(hào)可以是任意長(zhǎng)度，但是優(yōu)選為1毫秒的整數(shù)倍。輸入信號(hào)602被分成四個(gè)片段604a、604b、604c和604d。
FFT處理器606對(duì)四個(gè)片段各進(jìn)行FFT，如上所述，只有第一個(gè)1024點(diǎn)被保留進(jìn)行下步處理。對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)片段604a、604b、604c和604d的1024點(diǎn)片段分別為片段608a、608b、608c和608d，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，這是一個(gè)循環(huán)卷積，模為1ms。雖然在大多數(shù)情況下，循環(huán)卷積是足夠的，在采集信號(hào)發(fā)生相變的情況下使用線性卷積可獲得一些處理增益。這將在下面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
FFT片段608a、608b、608c和608d與影響數(shù)字化輸入信號(hào)602的GPS衛(wèi)星相對(duì)應(yīng)的金色碼609頻域再現(xiàn)相乘，如上所述，頻域金色碼609優(yōu)選是預(yù)先計(jì)算的，或者，對(duì)時(shí)域金色碼進(jìn)行FFT以獲得頻域金色碼609，各FFT片段分別在乘法器610a、610b、610c和610d中進(jìn)行逐點(diǎn)的乘法運(yùn)算，且其結(jié)果分別儲(chǔ)存在積612a、612b、612c和612d中，如上所述，這一操作等于時(shí)域卷積。
反向FFT運(yùn)算614分別對(duì)各積612a、612b、612c和612d進(jìn)行反向FFT以產(chǎn)生卷積616a、616b、616c和616d，卷積616a、616b、616c和616d分別對(duì)應(yīng)于帶有輸入信號(hào)片段的金色碼604a、604b、604c和604d的卷積。
如果載頻確實(shí)是正確的，各卷積中各片段對(duì)應(yīng)于金色碼所在位置將會(huì)有峰，它應(yīng)該在各片段的相同位置，因此卷積逐點(diǎn)積分將提高區(qū)分峰與噪聲的能力，振幅累加運(yùn)算618被用于執(zhí)行該積分。
卷積616a、616b、616c和616d輸入振幅累加運(yùn)算618，振幅累加運(yùn)算618對(duì)卷積616a、616b、616c和616d的各1024點(diǎn)執(zhí)行逐點(diǎn)的振幅相加，對(duì)應(yīng)于峰位置的點(diǎn)的和應(yīng)該大于其它應(yīng)該基本是噪聲的點(diǎn)。峰檢測(cè)器620通過(guò)將各1024點(diǎn)的和與預(yù)定的峰閾值比較以確定峰的位置，如果值大于峰閾值，該值產(chǎn)生的位置被假定為峰位置，峰位置為當(dāng)前處理的GPS衛(wèi)星相應(yīng)的碼相位的估測(cè)值。
正確的載頻也按上述方法確定。如果沒(méi)有明顯的峰，頻率按上述方法進(jìn)行一FFT位元解析度的位移，當(dāng)處理多毫秒片段信號(hào)時(shí)也可進(jìn)行上述的半位元分析，在這種情況下，對(duì)四個(gè)1-ms片段各進(jìn)行半位元處理，即，具有等于半位元頻率的復(fù)指數(shù)被乘以各4-ms片段604a、604b、604c和604d以進(jìn)行半位元頻移，用頻移的4-ms輸入信號(hào)重復(fù)上述過(guò)程。另外，如果需要，在進(jìn)行反向FFT之前可將零附加到積612a、612b、612c和612d，為峰檢測(cè)提供更好的位元解析度，或者，如上所述，頻移可通過(guò)移位頻域頻率和移位金色碼FFT而不是輸入GPS信號(hào)的FFT完成。
該過(guò)程對(duì)影響復(fù)合輸入GPS信號(hào)的各GPS衛(wèi)星重復(fù)進(jìn)行，對(duì)于各衛(wèi)星有相應(yīng)的唯一的金色碼。
前述過(guò)程假定采集的GPS輸入信號(hào)片段的金色碼序列沒(méi)有相變，如上所述，每隔20毫秒金色碼可能反轉(zhuǎn)，相變?cè)?-ms片段上所處的位置會(huì)嚴(yán)重影響該特定片段金色碼的卷積，如果相變出現(xiàn)在片段起始，會(huì)有明顯的負(fù)峰，由于累積中使用的是振幅，其結(jié)果不受影響，隨著相變從片段起始移動(dòng)，峰降低，當(dāng)相變出現(xiàn)在片段中部時(shí)峰變得微不足道，隨著相變從片段中部繼續(xù)移動(dòng)，峰隨著卷積值的增加而增長(zhǎng)，相變發(fā)生在片段的末尾時(shí)峰回復(fù)到其最大正值。因此，最壞的情況是相變使得發(fā)生相變的1-ms片段對(duì)峰的影響完全消失，因而，如果相變出現(xiàn)在片段的中部，那么4ms輸入信號(hào)被積分時(shí)只有3片段對(duì)峰有貢獻(xiàn)，同樣地，16輸入信號(hào)被積分時(shí)只有15片段對(duì)峰有貢獻(xiàn)，因此，相變不會(huì)嚴(yán)重破壞處理過(guò)程。
前述的相變問(wèn)題可通過(guò)以線性卷積取代上述分段的循環(huán)卷積避免，進(jìn)行這種線性卷積的有效的技術(shù)類(lèi)型一般被稱(chēng)為分段卷積，在分段卷積中，儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的輸入信號(hào)的重疊片段與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的金色碼FFT卷積，各重疊片段進(jìn)行FFT并與金色碼FFT相乘，其結(jié)果進(jìn)行反向FFT并以重疊存儲(chǔ)或重疊相加技術(shù)處理，這兩種著名的分段卷積技術(shù)，重疊存儲(chǔ)和重疊相加技術(shù)由Lawerence R.Rabiner & Bernard Gold在《數(shù)字信號(hào)處理原理與應(yīng)用》(Theory and Application of Digital Signal Processing)的2.25節(jié)(“分段卷積”)中描述，在這里將其全文引用。
例如，利用4ms輸入信號(hào)片段，分段卷積的結(jié)果是金色碼與輸入信號(hào)的4ms線性卷積，該信號(hào)被分成四個(gè)1-ms的片段，按上述方法計(jì)算各片段的振幅并將所有片段的振幅逐點(diǎn)相加，因?yàn)榉侄尉矸e跨越片段邊界使用各片段的整個(gè)金色碼序列，上述使用循環(huán)卷積的相變問(wèn)題不再出現(xiàn)，相反，相變的地方峰是反轉(zhuǎn)的，如上所述，因?yàn)樵诶奂舆^(guò)程中使用的是振幅，反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)無(wú)關(guān)緊要。
到目前為止描述的過(guò)程使用非干涉平均，在這里平均和積分同義使用。使用相干平均可對(duì)峰位置進(jìn)一步細(xì)化，相干平均有兩個(gè)步驟，第一步，利用上述的多片段技術(shù)獲得載頻和碼相位的近似估測(cè)值，第二步，利用相干信號(hào)處理技術(shù)優(yōu)化獲得的載頻和碼相位的估測(cè)值。
相干處理技術(shù)應(yīng)用卷積616a、616b、616c和616d，需要通過(guò)相加將其一起平均，然后計(jì)算振幅并進(jìn)行峰檢測(cè)，但是，為進(jìn)行這一操作，頻率必須精確了解，這是因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)中，你隨時(shí)間移動(dòng)，輸入信號(hào)與估測(cè)載頻之間的任何差異在數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為矢量旋轉(zhuǎn)，即相位偏移，該相位偏移降低了計(jì)算出的和的振幅，在1毫秒范圍內(nèi)，該矢量旋轉(zhuǎn)可能不重要，但在數(shù)毫秒范圍內(nèi)，該矢量旋轉(zhuǎn)會(huì)損害平均過(guò)程。
為解決該矢量旋轉(zhuǎn)，需要確定旋轉(zhuǎn)的頻率，這可通過(guò)分析各1ms卷積616a、616b、616c和616d中峰位置(前已確定)的復(fù)值完成，該頻率可應(yīng)用許多著名技術(shù)中的任何一種來(lái)確定，例如，可進(jìn)行四點(diǎn)FFT以確定正弦波頻率。通過(guò)上述的零附加技術(shù)提高精確度，例如，附加4、12、28或任意數(shù)目的零可獲得更高的精確度，考慮到計(jì)算效率，F(xiàn)FT的大小優(yōu)選為2的冪。FFT使各單獨(dú)峰值中的噪聲得以平均，其它利用峰位置的復(fù)值確定正弦波頻率的曲線擬合技術(shù)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是眾所周知的。
利用該頻率偏移，矢量旋轉(zhuǎn)在各卷積616a、616b、616c和616d中得到補(bǔ)償，這通過(guò)卷積616a、616b、616c和616d與具有上述在峰位置確定的頻率的正弦波值的復(fù)指數(shù)分塊相乘完成，然后，卷積616a、616b、616c和616d被平均，在這種情況下，卷積616a、616b、616c和616d在計(jì)算振幅前相加，這可能是由于該過(guò)程的相干性質(zhì)。
圖7顯示了上述方式的相干處理。卷積616a、616b、616c和616d的示例部分近似卷積顯示各毫秒輸入信號(hào)金色與輸入信號(hào)一致，這里有峰701a、701b、701c和701d，伴隨各峰的相位分別顯示在相位表示圖702a、702b、702c和702d中，如果輸入信號(hào)的載頻和本機(jī)產(chǎn)生的金色碼頻率精確匹配，各相位表示圖702a、702b、702c和702d應(yīng)是一致的。
但是，如圖7所示，隨時(shí)間變化，即從卷積片段到卷積片段，存在相位旋轉(zhuǎn)，相位旋轉(zhuǎn)率對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)的載頻和本機(jī)產(chǎn)生的金色碼頻率之間的頻率偏移，該頻率偏移可通過(guò)如上述的FFT進(jìn)行估測(cè)。隨機(jī)選擇矢量702a的相位作為參照，應(yīng)用上面計(jì)算的頻率偏移，各卷積616b、616c和616d峰時(shí)間的相位得到確定，該相位與參照之間的差異是應(yīng)用到各卷積結(jié)果使其能進(jìn)行相干平均的旋轉(zhuǎn)量，該相位通過(guò)卷積片段與具有與參照的相位差異相等的相位的復(fù)指數(shù)進(jìn)行復(fù)式塊相乘應(yīng)用。
只處理峰和峰任一側(cè)的一個(gè)或更多的一些點(diǎn)而不是整個(gè)1-ms的樣本可獲得更高的效率，只使用一些點(diǎn)比處理所有的1024點(diǎn)明顯快得多。在隨后的說(shuō)明中，只使用5點(diǎn)(預(yù)計(jì)峰位置任一側(cè)的2點(diǎn)及預(yù)計(jì)峰位置的點(diǎn))，但應(yīng)該注意的是，可以使用預(yù)計(jì)峰位置周?chē)?，并包括峰位置，任意?shù)目的點(diǎn)。
在旋轉(zhuǎn)應(yīng)用到該5點(diǎn)后，進(jìn)行峰檢測(cè)以更精確地確定碼相位，有許多檢測(cè)峰的技術(shù)，例如，曲線擬合技術(shù)如拋物線擬合可被用于確定給定的點(diǎn)中峰的位置。
或者，應(yīng)用查表方法，在該方法中金色碼與完全輸入信號(hào)在不同偏移處卷積，優(yōu)選偏移在一碼元長(zhǎng)度范圍內(nèi)，優(yōu)選偏移在該碼元長(zhǎng)度范圍內(nèi)均一地變化。雖然可使用任意數(shù)目的點(diǎn)，例如，考慮計(jì)算效率可只使用5點(diǎn)；可以使用任意數(shù)目的偏移，例如，如果使用64偏移，那么第一系列的值對(duì)應(yīng)于金色碼與輸入信號(hào)的完美結(jié)合，表中第二系列的值對(duì)應(yīng)于金色碼與輸入信號(hào)之間1/64碼元長(zhǎng)度的失調(diào)，如上述金色碼的FFT，該表優(yōu)選預(yù)先計(jì)算并儲(chǔ)存在非易失存儲(chǔ)器中。
圖8為儲(chǔ)存預(yù)先計(jì)算的與金色碼相關(guān)輸入信號(hào)的時(shí)間偏移的表802的使用示意圖。峰801附近旋轉(zhuǎn)的5點(diǎn)用相關(guān)器804與表802中的各項(xiàng)目ENT1、ENT2到ENT N關(guān)聯(lián)，最大的關(guān)聯(lián)被最大值選擇器806選作碼相位的正確值，其被用于調(diào)整上面從卷積616a、616b、616c和616d的振幅及和確定的近似碼相位。
因?yàn)榇a相位和頻率近似估測(cè)值的檢測(cè)比微調(diào)該估測(cè)值的內(nèi)插法需要更高的計(jì)算需求，因此本發(fā)明可進(jìn)一步優(yōu)化。這是因?yàn)樵诖_定近似頻率和碼相位的起始步驟中需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，所以應(yīng)該使用較少的數(shù)據(jù)(比如4或8毫秒)，而在微調(diào)頻率和碼相位中需要較短的處理時(shí)間，可以使用較多的數(shù)據(jù)(比如16毫秒)，但可將前述技術(shù)應(yīng)用于任何數(shù)量的數(shù)據(jù)。
當(dāng)接收信號(hào)的信噪比(SNR)很低時(shí)可使用本發(fā)明的變例，例如，GPS接收器在大樓或其它建筑中，在這種情況下，SNR可能太低而不能運(yùn)用非相干的平均技術(shù)確定近似頻率和碼相位，在這種情況中需要進(jìn)行相干平均以確定碼相位和頻率的能力。
在該變例中，進(jìn)行上述處理以產(chǎn)生卷積616a、616b、616c和616d，然后在卷積616a、616b、616c和616d的各點(diǎn)上進(jìn)行上述如圖7的相干處理，因此，不是只在近似峰位置進(jìn)行一次相干處理，而是進(jìn)行1024次(或者如卷積大小的任意次數(shù))，然后比較其結(jié)果值以確定峰的位置，一旦峰的位置被確定，按上述方法運(yùn)用曲線擬合技術(shù)或查表細(xì)化峰位置。
下面說(shuō)明本發(fā)明的數(shù)學(xué)原理。如上所述，本發(fā)明在與采集的GPS信號(hào)的展開(kāi)碼(金色碼)序列h(n)，其中n∈
且N是采集的GPS信號(hào)樣本的數(shù)目，相匹配的卷積器的復(fù)合基帶輸出y(t)=Σk=0N-1h*(N-1-k)x(t-k)]]>上實(shí)行。如上所述該卷積優(yōu)選在頻域中進(jìn)行。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，該卷積為優(yōu)選使用分段卷積技術(shù)進(jìn)行的線性卷積，如果頻率和碼相位偏移是正確的，在卷積輸出中對(duì)應(yīng)于各1-ms采集GPS信號(hào)片段的金色碼序列開(kāi)始位置上應(yīng)該出現(xiàn)峰，峰的信噪比(SNR)可通過(guò)上述的積分加以改善。
如上所述，一個(gè)這樣的積分是非相干平均，在非相干平均中，采集GPS信號(hào)各1-ms片段中各樣本的振幅被加到各其它1-ms片段的振幅上以獲得振幅矢量z(n)。因此，對(duì)于n∈
，z(n)=Σk=0M-1y*(n+kT)y(n+kT),]]>其中有T為金色碼相位的周期，N為采集GPS信號(hào)的樣本數(shù)量且M為積分時(shí)間，M相當(dāng)于采集GPS信號(hào)的1-ms片段的數(shù)目。如果有足夠的SNR和積分時(shí)間M，非相干平均能可靠地在1-ms片段邊界和卷積器輸出峰之間產(chǎn)生時(shí)間偏移峰n0=argmaxn∈
z(n),]]>該峰的位置對(duì)應(yīng)于金色碼的時(shí)間偏移。
如上所述，本發(fā)明然后優(yōu)化該時(shí)間估測(cè)，這通過(guò)分析由w(m)＝y(tǒng)(n0+mT)，其中m∈
且M為積分時(shí)間(即1-ms片段的數(shù)目)，給出的峰位置的卷積器輸出完成，這些樣本(w(m))然后被乘以所有可能的M樣本數(shù)據(jù)調(diào)制序列，即假設(shè)M樣本序列中發(fā)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，M樣本中各樣本乘以相應(yīng)的數(shù)據(jù)值，因此，存在數(shù)據(jù)調(diào)制序列ds(m)，其中m∈
，s∈
且M為積分時(shí)間(即1ms片段的數(shù)目)，P為M片段時(shí)可能的數(shù)據(jù)序列的數(shù)目。對(duì)這些積進(jìn)行L點(diǎn)(L-point)DFT，產(chǎn)生W(f,s)=Σm=0M-1ds*(m)w(m)e-j2πfm/L,]]>其中f∈
，s∈
，L可通過(guò)附加增加頻率解析度的L-M零獲得。P變換(f0,s0)=argmaxf∈
,s∈
W*(f,s)W(f,s)]]>最大值的位置是估測(cè)頻率偏移f0和數(shù)據(jù)序列指針s0，相當(dāng)于包含提供該估測(cè)數(shù)據(jù)序列ds0(m),m∈
]]>最大值的變換。
已知近似的時(shí)間估測(cè)值n0、估測(cè)的頻率偏移f0和估測(cè)的數(shù)據(jù)序列ds0(m),m∈
,]]>本發(fā)明下一步確定精確的時(shí)間偏移估測(cè)值τ0，這通過(guò)產(chǎn)生對(duì)于一系列時(shí)間偏移{τk|k∈
}的理想卷積器輸出v(t，τ)，t∈[-R，-R+1，...，R-1，R]來(lái)完成，其中v(0，τ)對(duì)應(yīng)于峰卷積器輸出。如上所述，區(qū)間[-R，-R+1，...，R-1，R]被選擇以取得卷積器峰的有效部分，然后該峰由理想無(wú)噪聲輸入波形的數(shù)學(xué)模型分析確定。
或者，如上所述，預(yù)先計(jì)算對(duì)于該系列時(shí)間偏移的理想卷積器輸出表，該計(jì)算可應(yīng)用分析導(dǎo)函數(shù)或需要的可由用給定時(shí)間偏移產(chǎn)生理想無(wú)噪聲輸入波形和模擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)模型獲得的值。
相干技術(shù)也可用于本發(fā)明中。下面提供應(yīng)用相干平均技術(shù)的數(shù)學(xué)原理，相干平均需要將在近似時(shí)間偏移各卷積器輸出峰周?chē)膮^(qū)域與三個(gè)乘數(shù)相乘，并將獲得的采集GPS信號(hào)的M片段的積平均。
第一個(gè)乘數(shù)從估測(cè)的數(shù)據(jù)序列ds0(m),m∈
]]>取得，如上所述對(duì)應(yīng)于含卷積器輸出峰片段的估測(cè)數(shù)據(jù)序列元素的復(fù)共軛與各含峰區(qū)域的樣本相乘。第二個(gè)乘數(shù)由估測(cè)頻率偏移f0計(jì)算得到，在估測(cè)頻率偏移產(chǎn)生的載波的復(fù)共軛與各含峰區(qū)域的樣本相乘。第三個(gè)乘數(shù)由產(chǎn)生對(duì)于一系列時(shí)間偏移{τk|k∈
}的理想卷積器輸出v(t，τ)，t∈[-R，-R+1，...，R-1，R]的方法獲得，各含峰區(qū)域的樣本被乘以其相應(yīng)的特定時(shí)間偏移的理想卷積器輸出樣本。
在區(qū)域A(t,τ)=Σm=0M-1ds0*(m)v*(t,τ)y(n0+t+mT)ej2πf0m/L,t∈[-R,-R+1,···,R-1,R],]]>τ∈{τk}上的平均值然后與其共軛值相乘并相加以產(chǎn)生量度Q(τ)=Σt=-RRA*(t,τ)A(t,τ),]]>其中τ∈{τk}。用檢索算法對(duì)不同特定時(shí)間偏移的量度Q(τ)求值以最大化該量度，簡(jiǎn)單檢索算法能對(duì)確定柵格時(shí)間偏移的量度求值并選擇最大值，提供量度Q(τ)最大值的時(shí)間偏移τ=argmaxτ∈{τk}Q(τ)]]>被從近似偏移估測(cè)n0選作精確時(shí)間偏移估測(cè)值，所以總偏移由t0＝n0+τ0。
在本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例中，對(duì)非整數(shù)值的T(采樣碼片段長(zhǎng)度)進(jìn)行補(bǔ)償，例如，如果采樣時(shí)鐘不是金色碼序列頻率的精確倍數(shù)，非整數(shù)值的T可能發(fā)生，這種情況可能由采樣時(shí)鐘振蕩器不完全同步或者接收的GPS信號(hào)發(fā)生多普勒頻移引起。假設(shè)T′＝T+ε，其中T′為估測(cè)的非整數(shù)金色碼周期，T為T(mén)′的最接近的整數(shù)值且ε為T(mén)的小數(shù)部分，采集GPS片段上的平均值按下式計(jì)算A(t,τ)=Σm=0M-1ds0*(m)v*(t,τ+mϵ)y(n0+t+mT)ej2πf0m/L,]]>t∈[-R，-R+1，...，R-1，R]，τ∈{τk}，在該方程式中，v*(t，τ+mε)以最接近τ+mε的τ∈{τk}的值求值，然后量度Q(τ)按上述方法求值，正如從A(t，τ)的方程式可看到的，隨著積分時(shí)間的增加，ε的影響可能會(huì)更大。
本發(fā)明也可補(bǔ)償接收信號(hào)中大的未知多普勒頻移，這在上面的說(shuō)明中按頻率位元的步進(jìn)作了說(shuō)明，在數(shù)學(xué)上，卷積器被改進(jìn)以對(duì)y(t,fD)=Σk=0N-1h*(N-1-k)x(t-k)ej2πfD(t-k)]]>求值，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該改進(jìn)的技術(shù)其后被用于一組fD值的各項(xiàng)，給出所有fD值中量度的最大值的n0和τ0的組合被選擇以計(jì)算總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0，給出量度最大值的fD值被表示為 前述檢索所有fD值并進(jìn)行確定n0和τ0的所有計(jì)算的實(shí)施是確定 的強(qiáng)力方式，通過(guò)首先確定的 總偏移時(shí)間t0＝n0+τ0能更有效地確定，例如，在本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例中， 通過(guò)對(duì)該組fD值中各頻率的卷積器輸出z(n0)的振幅求值確定，給出最大振幅的fD值被視為 因此，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，fD0=argmaxfDz(n0),]]>然后該 值被用在改進(jìn)技術(shù)中以確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0。
在本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例中， 通過(guò)對(duì)如上面提出的該組fD值中各頻率的W(f0，s0)求值確定，最大化W(f0，s0)振幅的fD值被視為 因此，fD0=argmaxfDW*(f0,s0)W(f0,s0),]]>然后該 值被用在改進(jìn)技術(shù)中以確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0。
一旦該多普勒偏移 使用本發(fā)明的前述三個(gè)實(shí)施例之一確定，采樣時(shí)鐘的誤差ε可被估測(cè)，ε通過(guò)下述表達(dá)式ϵ=TfD0fc/fs]]>求值，其中fc為傳輸信號(hào)(即在任何多普勒偏移之前且fs為采樣率)的載頻。
如上所述，本發(fā)明可使用采集GPS信號(hào)片段上的循環(huán)卷積而不是全部采集GPS信號(hào)的線性卷積，該循環(huán)卷積優(yōu)選通過(guò)分割復(fù)雜的基帶信號(hào)輸入序列為非重疊塊、對(duì)各塊進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)、將各變換塊與金色碼序列的FFT相乘、對(duì)其乘積做反向FFT并連接結(jié)果片段完成。該技術(shù)剩下的是確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0，如上所述。
所述的補(bǔ)償大的未知多普勒頻移的技術(shù)也可以應(yīng)用循環(huán)卷積，例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，卷積器被改進(jìn)以對(duì)h(n)，n∈
的循環(huán)卷積 求值，該改進(jìn)技術(shù)然后被用于一組fD值的各項(xiàng)，給出所有fD值中量度的最大值的n0和τ0的組合被選擇以計(jì)算總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0，給出量度最大值的fD值被表示為
如上所述，該確定總偏移時(shí)間t0＝n0+τ0的強(qiáng)力方法可通過(guò)首先確定的 更有效地確定總偏移時(shí)間t0＝n0+τ0，例如，在本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例中， 通過(guò)使用循環(huán)卷積對(duì)該組fD值中各頻率的卷積器輸出z(n0)的振幅求值確定，給出最大振幅的fD值被視為 因此，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，fD0=argmaxfDz(n0),]]>然后該 值被用在改進(jìn)技術(shù)中以確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0。在繼續(xù)確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0的處理之前，進(jìn)行確定頻率 的線性卷積。
在本發(fā)明的可選擇的實(shí)施例中， 通過(guò)對(duì)如上面提出的該組fD值中各頻率的W(f0，s0)求值確定，最大化W(f0，s0)振幅的fD值被視為 因此，fD0=argmaxfDW*(f0,s0)W(f0,s0),]]>然后該 值被用在改進(jìn)技術(shù)中以確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0。在繼續(xù)確定總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0的處理之前，進(jìn)行確定頻率 的線性卷積。
一旦該多普勒偏移 使用本發(fā)明的前述三個(gè)實(shí)施例之一確定，采樣時(shí)鐘的誤差ε可被估測(cè)，ε通過(guò)下述表達(dá)式ϵ=TfD0fc/fs]]>求值，其中fc為傳輸信號(hào)(即在任何多普勒偏移之前且fs為采樣率)的載頻。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例是真正的強(qiáng)力方法，其不使用非相干平均以產(chǎn)生近似時(shí)間偏移估測(cè)n0，相反，該量度的最大值對(duì)各可能的n0＝0，1，2，...，N-1值求值，最大化該量度Q(τ)的n0和τ0的組合被選擇以計(jì)算總時(shí)間偏移t0＝n0+τ0，本發(fā)明的該實(shí)施例可與先前描述的本發(fā)明的可選實(shí)施例結(jié)合。
前面公開(kāi)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例被提出以作闡述和說(shuō)明，它不是為窮舉或限制本發(fā)明在所公開(kāi)的確定形式中，在這里描述的實(shí)施例的許多變更和改進(jìn)對(duì)于在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述公開(kāi)是顯而易見(jiàn)的，該發(fā)明的范圍只由附加于此的權(quán)利要求和其等效范圍確定。
進(jìn)一步，在描述的本發(fā)明的代表實(shí)施例中，本說(shuō)明書(shū)可能提出了作為特定順序的步驟的本發(fā)明的方法和/或程序，但是，從范圍上方法或程序并不依賴(lài)于這里提出的特定次序的步驟，該方法或程序不應(yīng)受所描述的特定順序的步驟限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該了解，其它順序的步驟也是可能的，因此，本說(shuō)明書(shū)提出的特定次序的步驟不應(yīng)對(duì)權(quán)利要求造成限制，另外，指向本發(fā)明的方法和/或程序的權(quán)利要求不應(yīng)受所描述順序的步驟的實(shí)行的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易地理解，可以改變實(shí)行順序而仍保持在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.GPS接收器，包括用于接收包含帶接收展開(kāi)碼頻率的接收展開(kāi)碼的復(fù)合GPS信號(hào)的接收器；按樣本率對(duì)接收的復(fù)合GPS信號(hào)數(shù)字化的數(shù)字轉(zhuǎn)換器；產(chǎn)生展開(kāi)碼的展開(kāi)碼發(fā)生器；將接收的復(fù)合GPS信號(hào)與產(chǎn)生的展開(kāi)碼卷積以產(chǎn)生卷積輸出的卷積器；由于樣本率與接收展開(kāi)碼頻率的整數(shù)倍不相等產(chǎn)生的時(shí)鐘誤差的估測(cè)裝置；由該卷積輸出和該估測(cè)的時(shí)鐘誤差得出的量度；及最大化該量度以確定總的時(shí)間偏移和頻率偏移的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其特征在于，所述卷積器進(jìn)行線性卷積。
3.如權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其特征在于，所述卷積器進(jìn)行多項(xiàng)循環(huán)卷積。
4.如權(quán)利要求1所述的GPS接收器，進(jìn)一步包括估測(cè)調(diào)制展開(kāi)碼的數(shù)據(jù)序列的裝置；相當(dāng)于理想復(fù)合GPS信號(hào)與產(chǎn)生的展開(kāi)碼的卷積的理想卷積器輸出的產(chǎn)生裝置；將該卷積器輸出與該估測(cè)數(shù)據(jù)序列的復(fù)共軛和該理想卷積器輸出的復(fù)共軛相乘的乘法器；及其特征在于，該量度包含對(duì)采集GPS信號(hào)的連續(xù)片段應(yīng)用該乘法器的積分。
5.如權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其特征在于，所述最大化該量度的裝置通過(guò)檢索不同的預(yù)定時(shí)間偏移以最大化該量度。
6.如權(quán)利要求1所述的GPS接收器，其特征在于，所述卷積器在頻域中進(jìn)行卷積。
7.用于GPS接收器的取得碼相位和載頻偏移的方法，包括以下步驟接收包含帶接收展開(kāi)碼頻率的接收展開(kāi)碼的復(fù)合GPS信號(hào)；按樣本率對(duì)該接收的復(fù)合GPS信號(hào)采樣；產(chǎn)生要產(chǎn)生的展開(kāi)碼序列；將該接收的GPS信號(hào)與該產(chǎn)生的展開(kāi)碼序列卷積；估測(cè)由于樣本率與接收展開(kāi)碼頻率的整數(shù)倍不相等產(chǎn)生的時(shí)鐘誤差；由該卷積輸出和該估測(cè)的時(shí)鐘誤差得出量度；及最大化該量度以確定總的時(shí)間偏移和頻率偏移。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述卷積步驟包括進(jìn)行線性卷積的步驟。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述卷積步驟包括進(jìn)行多項(xiàng)循環(huán)卷積的步驟。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟估測(cè)調(diào)制展開(kāi)碼的數(shù)據(jù)序列；產(chǎn)生相當(dāng)于理想復(fù)合GPS信號(hào)與產(chǎn)生的展開(kāi)碼的卷積的理想卷積器輸出；及將該卷積器輸出與該估測(cè)數(shù)據(jù)序列的復(fù)共軛和該理想卷積器輸出的復(fù)共軛相乘；及積分該乘法器對(duì)采集GPS信號(hào)的連續(xù)片段的輸出。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述最大化步驟包括檢索不同的預(yù)定時(shí)間偏移以最大化該量度的步驟。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述卷積步驟進(jìn)一步包括以下步驟將該接收GPS信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域；將該產(chǎn)生的展開(kāi)碼序列轉(zhuǎn)換到頻域；將該轉(zhuǎn)換的接收GPS信號(hào)和展開(kāi)碼序列相乘以獲得乘積；及將該積轉(zhuǎn)換到時(shí)域。
全文摘要
GPS接收器(301)使用接收的GPS信號(hào)的短片段捕獲載頻和金色碼相位。在一個(gè)實(shí)施例中，GPS信號(hào)的1－ms片段被轉(zhuǎn)換到頻域，乘以金色碼(402)的頻率再現(xiàn)，其乘積被轉(zhuǎn)換到時(shí)域，并檢測(cè)峰值(406a－d)，峰(406a－d)的位置對(duì)應(yīng)于碼相位。如果峰(406a－d)未得到定位，則改變載頻，可以考慮載頻的全或半位元步進(jìn)式改變，通過(guò)使用較長(zhǎng)片段的輸入信號(hào)，如4或16ms，并積分1－ms片段獲得處理增益。如果在處理的GPS信號(hào)短片段發(fā)生相變，對(duì)其影響提供了補(bǔ)償。積分可應(yīng)用非相干和相干技術(shù)進(jìn)行。對(duì)非整毫秒長(zhǎng)度的片段進(jìn)行了調(diào)整。
文檔編號(hào)H04B1/69GK1459154SQ01815813
公開(kāi)日2003年11月26日 申請(qǐng)日期2001年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月18日
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