專利名稱：通過移動接收機(jī)優(yōu)化來自衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號的捕捉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過移動接收機(jī)實現(xiàn)的用于優(yōu)化捕捉擴(kuò)頻信號的過程的方法。本發(fā)明例如應(yīng)用于源自GPS (全球定位系統(tǒng))、伽利略(felileo)類型的衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)的任何導(dǎo)航信號。
背景技術(shù)：
表述“移動接收機(jī)”于此理解為包括專用于衛(wèi)星定位的裝置(或接收機(jī))，其可以是便攜式的，或安置在陸地、海洋或空中載體中；以及裝配有衛(wèi)星定位裝置的通信終端，例如手機(jī)或筆記本電腦或個人數(shù)字助理(PDA)等可能的通信類型。在使用GNSS (全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))類型的接收機(jī)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)信號使得接收機(jī)能夠從屬于定位衛(wèi)星的星群的不同衛(wèi)星(至少有四個來確定與接收機(jī)的地理坐標(biāo)χ、y、ζ和時間坐標(biāo)相對應(yīng)的四個未知量)開始計算接收機(jī)的位置。衛(wèi)星定位包括兩個連續(xù)的步驟。第一步驟稱為捕捉步驟，其在所關(guān)心的移動接收機(jī)上確定偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼，所述偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼調(diào)制源自屬于所述星群的衛(wèi)星的并且與參考時間相關(guān)的信號。該過程實際上將從衛(wèi)星接收的信號，和基于與參考時間和衛(wèi)星的起搏頻率有關(guān)的假設(shè)的接收機(jī)本地產(chǎn)生的信號的復(fù)本相“比較”，以由此推導(dǎo)出調(diào)制所述接收信號的偽隨機(jī)碼，或者換句話說，以將接收機(jī)的起搏時鐘及其頻率同步到每個衛(wèi)星的時鐘和頻率。 為此，在時間-頻率上對源自衛(wèi)星的信號的能量進(jìn)行搜索，此搜索通常通過基于時間和頻率假設(shè)對的相關(guān)測量實現(xiàn)，以確定接收信號和接收機(jī)的本地復(fù)本之間的最大相關(guān)。第二步驟包括基于接收信號中顯著包含的所獲取的碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)來確定移動接收機(jī)的位置。更具體地，該第二步驟可再分為三個子步驟從獲取的偽隨機(jī)碼確定信號在每個衛(wèi)星和接收機(jī)之間的傳播時間的子步驟；從信號和傳播時間中包含的導(dǎo)航數(shù)據(jù)確定接收機(jī)和每個衛(wèi)星之間的偽距離的子步驟；以及用于從所述偽距離確定接收機(jī)的位置的子步驟。文獻(xiàn)US 2006/0115022中描述了示例性衛(wèi)星定位系統(tǒng)。每個傳播時間的準(zhǔn)確度以及因此的每個偽距離的準(zhǔn)確度直接確定了位置的準(zhǔn)確度。此時，每個傳播時間的準(zhǔn)確度取決于相應(yīng)的接收信號的偽隨機(jī)碼的捕捉質(zhì)量，這取決于所述接收信號的質(zhì)量。因此，當(dāng)從衛(wèi)星接收的信號中的至少一個質(zhì)量差時，特別在不平坦或例如市內(nèi)區(qū)域的擁擠環(huán)境中這是相對平常的，所確定的位置通常受誤差影響。甚至可能會暫時不能確定接收機(jī)的位置，盡管源自其他衛(wèi)星的信號的質(zhì)量良好。接收機(jī)具有三種頻率不確定性，而與針對源自衛(wèi)星的能量進(jìn)行時間和頻率搜索的日期有關(guān)的未知性增加了該不確定性。這三種頻率不確定性為與衛(wèi)星的移動有關(guān)的多普勒效應(yīng)、與接收機(jī)的時鐘準(zhǔn)確度有關(guān)的不確定性、與接收機(jī)的移動有關(guān)的多普勒效應(yīng)。與衛(wèi)星的移動有關(guān)的多普勒效應(yīng)可以通過已知方法確定，例如通過采用輔助服務(wù)器，例如在 AGPS(Assisted GPS，輔助GPS)類型定位技術(shù)中使用的輔助服務(wù)器。時鐘的本地振蕩器愈加有效并變得越來越穩(wěn)定。與接收機(jī)的移動有關(guān)多普勒效應(yīng)變成了與相關(guān)峰值的位置以及據(jù)此的接收機(jī)的位置有關(guān)的不穩(wěn)定性的主要來源。
不考慮與接收機(jī)有關(guān)的多普勒效應(yīng)，在捕捉低能量信號的情況中可能有顯著效果，捕捉低能量信號要求接收的信號能夠在一長時間段內(nèi)相干地積分。在實踐中，頻率假設(shè)積分窗的寬度與積分時間成反比，相干積分時間越長，頻率假設(shè)積分窗的寬度越小，且因此頻率假設(shè)的數(shù)量越大。那么時間和頻率掃描涉及到對于接收機(jī)非常重要并且增加了接收機(jī)的位置有關(guān)的不確定性的計算功率和數(shù)據(jù)處理時間。在常規(guī)的捕捉機(jī)制中，例如文獻(xiàn)US 2006/0012515中所述，通常針對在整個積分時間內(nèi)保持相同的頻率假設(shè)進(jìn)行相干積分，這預(yù)示著接收信號的實際頻率在積分時間內(nèi)是穩(wěn)定的。在長相干積分期間，與使用者的移動有關(guān)的多普勒效應(yīng)造成實際的接收頻率在所述積分期間變化，如果是針對穩(wěn)定的假設(shè)進(jìn)行積分則這使得積分無效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決所述問題，本發(fā)明提出一種通過移動接收機(jī)優(yōu)化源自衛(wèi)星的導(dǎo)航信號的捕捉的方法，其考慮了與接收機(jī)有關(guān)的多普勒效應(yīng)，并且當(dāng)針對信號的相關(guān)峰值進(jìn)行搜索時能夠減少待探測的頻率假設(shè)的數(shù)量，并且減少了接收機(jī)內(nèi)的計算時間。為此，本發(fā)明的主題是一種用移動接收機(jī)優(yōu)化源自衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號的捕捉的方法，包括-接收由至少一個發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號，所述信號通過偽隨機(jī)碼調(diào)制，-產(chǎn)生所發(fā)射的信號的偽隨機(jī)碼的本地復(fù)本，-發(fā)射多個假設(shè)，所述多個假設(shè)與初始時刻、接收的信號的頻率&以及該頻率在直到最終時刻tn的與積分時間相對應(yīng)的時間上的趨勢有關(guān)，每個假設(shè)與被稱為趨勢路徑的在所述初始時刻和最終時刻之間的信號的頻率趨勢有關(guān)，-計算所有頻率-時間假設(shè)對(fytk)的相關(guān)函數(shù)s (f" tk，τ),其特征在于還包括-選擇與初始時刻、相對應(yīng)的第一初始頻率假設(shè)f1;-捕捉與接收機(jī)的移動有關(guān)的至少一個信息項，以及從中針對所述初始頻率假設(shè) f\推導(dǎo)出信號的頻率隨時間的趨勢假設(shè)，-確定時刻、和tn之間的信號的頻率的所有可能趨勢路徑的各自的總能量，其與相關(guān)函數(shù)的最大值也稱為相關(guān)峰值相對應(yīng)，通過將初始時刻、和最終時刻tn之間的相關(guān)結(jié)果相干地合計來獲得每個可能趨勢路徑的總能量，頻率連續(xù)取自位于所選擇的趨勢路徑上的所有頻率值，-選擇其總能量最強(qiáng)的趨勢路徑，-連續(xù)選擇所有其他可能的初始頻率假設(shè)，并針對每個初始頻率假設(shè)選擇信號的總能量最強(qiáng)的信號的頻率的趨勢路徑，-從針對每個頻率假設(shè)所選擇的所有路徑中確定具有最強(qiáng)能量的路徑為最可能路徑且對應(yīng)于接收機(jī)要跟隨的真實路徑。有利地，通過將初始時刻、和最終時刻tn之間的相關(guān)結(jié)果相干地合計，來獲得信號的頻率的每個可能趨勢路徑的總能量，頻率連續(xù)取自位于所選擇的趨勢路徑上的所有頻率值。優(yōu)選地，針對每個初始頻率假設(shè)，通過考慮由位于接收機(jī)內(nèi)的至少一個慣性傳感器發(fā)送的信息來確定信號的頻率的可能趨勢路徑。
有利地，由所述慣性傳感器發(fā)送的信息在基于所述傳感器的特性所建立的誤差框內(nèi)考慮?？蛇x地，當(dāng)由所述傳感器發(fā)送的信息在兩次測量時刻之間的變化低于預(yù)定變化閾值時，則確定所述接收機(jī)在所述兩次測量時刻之間未移動，那么假設(shè)頻率在積分期間是穩(wěn)定的。


通過對本發(fā)明的優(yōu)選的和非限制性示例的以下描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯，其中-圖1為根據(jù)本發(fā)明的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)的示例性結(jié)構(gòu)；-圖2為一示例性頻率-時間圖形，其描述了在給定積分時間上的捕捉期間探測的頻率假設(shè)；-圖3為根據(jù)本發(fā)明的針對給定初始頻率假設(shè)探測的可能路徑的示例；-圖4為根據(jù)本發(fā)明的針對給定的初始頻率假設(shè)的可能路徑的示例，其中考慮了慣性傳感器發(fā)送的信息。
具體實施例方式圖1中所示的結(jié)構(gòu)包括裝置10，其用于接收衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號；裝置11，用于捕捉接收的信號以確定要對源自衛(wèi)星的信號進(jìn)行調(diào)制的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼；裝置12，用于跟蹤信號，使得能夠補(bǔ)償接收機(jī)的動態(tài)性；裝置13，用于計算接收機(jī)的位置。而且，所述結(jié)構(gòu)包括慣性傳感器14，用于在處理裝置15處理之后發(fā)送與接收機(jī)相對于衛(wèi)星的速度和姿態(tài)有關(guān)的信息。圖2的圖形的縱軸對應(yīng)于待探測的頻率假設(shè)(frequency assumptions)，橫軸對應(yīng)于積分時間。待探測的頻率假設(shè)位于與最小多普勒效應(yīng)相關(guān)的最小頻率和與最大多普勒效應(yīng)相關(guān)的最大頻率之間。時間軸和頻率軸分別再分為基本持續(xù)時間和基本頻帶，且每個頻率-時間對對應(yīng)于圖2中的網(wǎng)格中的特定單元。每個頻率假設(shè)具有可能是給定時刻的相應(yīng)的接收機(jī)-衛(wèi)星相對位置和接收機(jī)時鐘偏移。在兩個給定時刻、和&之間，接收機(jī)的位置可以沿著多個可能路徑變化。為了獲知接收機(jī)在每個時刻的位置，因此本發(fā)明包括探測每個可能的路徑并針對這些路徑的每一個計算信號的能量。具有最強(qiáng)能量的路徑為接收機(jī)所跟隨的路徑。在對應(yīng)于圖2的圖形的各個單元的每個給定頻率和每個給定時刻tk，計算信號的能量。為此，接收機(jī)將接收信號與已經(jīng)發(fā)送信號的衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼的復(fù)本相關(guān)。衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼是已知的并且在衛(wèi)星的使用期內(nèi)不會變化。在頻率A和時刻tk處相關(guān)的結(jié)果表示為S(JiJkiT)= f r(t)-c (t-kT-T)^Rc -e—lj^dt
I fc J其中，r(t)為接收機(jī)接收的信號，c (t)為在接收信號的調(diào)制中使用的擴(kuò)頻碼，T為通常與擴(kuò)頻碼c(t)的周期相對應(yīng)的相干積分時間，τ為接收的擴(kuò)頻碼和發(fā)射的擴(kuò)頻碼之間的估計偏差，fc為載波頻率(對于GPS L1C/A通常為1575. 42MHz)，Rc為擴(kuò)頻碼的碼片速率(對于GPS L1C/A通常為1. 023M碼片/秒)。例如，在GPS C/A信號情況中，通常T等于lms。然而，T可以具有任何其他的值。當(dāng)已經(jīng)執(zhí)行完與每個頻率假設(shè)相對應(yīng)的所有基本相關(guān)時，根據(jù)本發(fā)明的方法包括選擇與初始時刻、相對應(yīng)的第一初始頻率假設(shè)f\，然后從所有的可能路徑中選擇針對、和 &之間的信號的頻率的特定趨勢路徑，以及通過合計(aggregating)構(gòu)成該路徑的每個項 S(fi，tk，τ)來確定與該路徑相對應(yīng)的信號的總能量。tn對應(yīng)于該搜索的最終時刻。圖3 顯示了基于時刻、到時刻tn的初始頻率假設(shè)的所有可能路徑。通過相干地合計相關(guān)結(jié)果s^，、，，τ)來獲得與選擇的路徑相應(yīng)對的總能量，其中tk連續(xù)取、和&之間的所有值，連續(xù)取位于所選擇的路徑上的所有頻率值。例如，在時刻、，頻率值可以變?yōu)橹礷2或 f3，或保持不變。對于相同的頻率假設(shè)，所有可能的路徑被一個接一個地連續(xù)選擇出來，以相似的方式計算它們各自的能量。在所有可能的路徑中，只有一個單獨(dú)路徑允許對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行非破壞性重組，如圖3中的粗線3所示。此外，該路徑取決于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的相對動態(tài)性。因此該路徑具有相應(yīng)的最大信號能量。然后根據(jù)本發(fā)明的方法包括針對每個初始頻率假設(shè)選擇總能量最強(qiáng)的路徑，并且從在每個頻率假設(shè)處所選擇的所有路徑中確定具有最強(qiáng)能量的路徑為最可能路徑并且對應(yīng)于接收機(jī)所跟隨的真實路徑。該方法要求探測針對每個初始頻率假設(shè)的所有可能路徑，該方法非常繁瑣而且在處理時間方面非常漫長。有利地，為了減少針對每個初始頻率假設(shè)要探測的路徑的數(shù)量，在初始時刻和最終時刻之間，本方法包括一中間步驟，其包括使用例如 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))類型的至少一個慣性傳感器。該慣性傳感器位于例如接收機(jī)上，并且發(fā)送與接收機(jī)的位置有關(guān)的信息，例如接收機(jī)的加速度和/或角度位置，和/或相對于磁北的航線，這些信息項針對空間的所有三個方向發(fā)送。 為此，慣性傳感器可以包括三軸加速計和/或三軸陀螺儀和/或三軸磁力計。慣性傳感器發(fā)送的信息然后通過處理裝置處理以獲得接收機(jī)的姿態(tài)和/或位置和/或速度。然后這些數(shù)據(jù)被發(fā)射給捕捉裝置，以在捕捉階段考慮通過慣性傳感器給出的接收機(jī)的連續(xù)位置，從而限制與隨時間的頻率趨勢有關(guān)的假設(shè)，以及據(jù)此的在捕捉階段的處理時間。在實踐中， 頻率假設(shè)對應(yīng)于與多普勒效應(yīng)有關(guān)的假設(shè)，多普勒效應(yīng)正比于使用者和衛(wèi)星之間的相對速度。因此，由慣性傳感器給出的信息為在捕捉期間與多普勒效應(yīng)的趨勢有關(guān)的信息。該信息能夠限制初始時刻和最終時刻之間的可能的重組的可能性。圖4為顯示了針對給定的初始頻率假設(shè)的可能路徑的示例，其中考慮了慣性傳感器發(fā)送的信息。粗線表示對應(yīng)于信號的最大能力的真實路徑3，由于與發(fā)送自慣性傳感器的信息有關(guān)的不確定性而要被探測的路徑2由虛線表示在誤差框1內(nèi)。在實踐中，慣性傳感器發(fā)送的信息展示了誤差極限，其隨著傳感器的工作時間和溫度而顯著增加。因為傳感器的特性由制造商給定，在處理之后，與傳感器發(fā)送的信息有關(guān)的誤差極限可以轉(zhuǎn)換為頻率， 且從這些特性可以容易地確定與給定傳感器相應(yīng)對的頻率的誤差框。因此，如圖4所示，該方法包括，當(dāng)已經(jīng)執(zhí)行完與每個頻率假設(shè)相對應(yīng)的所有的基本相關(guān)時，選擇與初始時刻、相應(yīng)對的初始頻率假設(shè)；跟隨由傳感器給定的信息提取的路徑，直到與傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)開始展現(xiàn)誤差極限的時刻相對應(yīng)的時刻tk ；然后在時刻tk 和最終時刻tn之間，從先前所建立的頻率誤差框內(nèi)所包括的所有可能路徑中選擇一路徑。
有利地，該方法還可以包括一選項，即當(dāng)傳感器給出的信息表示接收機(jī)未移動時來辨別傳感器給出的信息。該辨別通過如下執(zhí)行引入移動閾值，在該移動閾值以下則確定跟隨傳感器表示的信息。因此，當(dāng)傳感器表示在兩個連續(xù)測量時刻之間，接收機(jī)移動的距離小于移動閾值時，該方法認(rèn)為接收機(jī)在這兩次測量期間未移動，因此頻率也未移動。該方法展現(xiàn)了如下優(yōu)點(diǎn)能夠在積分時間內(nèi)檢測接收信號的所有的能量，而不會對處理時間以及因此的接收機(jī)的響應(yīng)時間不利。此外，接收機(jī)的靈敏度在檢測低能量的能力方面增強(qiáng)了，因為本方法能夠考慮到了更大數(shù)量的頻率-時間假設(shè)。盡管本發(fā)明是參照具體實施例描述的，顯然本發(fā)明不受限于此，其包括所描述的裝置及其組合的技術(shù)等價物，只要其落入本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
權(quán)利要求
1.一種用移動接收機(jī)優(yōu)化源自衛(wèi)星的擴(kuò)頻信號的捕捉的方法，包括 -接收(10)由至少一個發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號，所述信號通過偽隨機(jī)碼調(diào)制， -產(chǎn)生所發(fā)射的信號的偽隨機(jī)碼的本地復(fù)本，-發(fā)射多個假設(shè)，所述多個假設(shè)與初始時刻、接收的信號的頻率fi以及該頻率在直到最終時刻tn的與積分時間相對應(yīng)的時間上的趨勢有關(guān)，每個假設(shè)與被稱為趨勢路徑的在所述初始時刻和最終時刻之間的信號的頻率趨勢有關(guān)，-計算所有頻率-時間假設(shè)對(fi，tk)的相關(guān)函數(shù)s (f" tk，τ), 其特征在于還包括-選擇與初始時刻、相對應(yīng)的第一初始頻率假設(shè)f1;-捕捉與接收機(jī)的移動有關(guān)的至少一個信息項，以及從中針對所述初始頻率假設(shè)推導(dǎo)出信號的頻率隨時間的趨勢假設(shè)，-確定時刻、和tn之間的信號的頻率的所有可能趨勢路徑的各自的總能量，所述各自的總能量與相關(guān)函數(shù)的最大值相對應(yīng)，也稱為相關(guān)峰值，通過將初始時刻、和最終時刻tn 之間的相關(guān)結(jié)果相干地合計來獲得每個可能趨勢路徑的總能量，頻率連續(xù)取自位于所選擇的趨勢路徑上的所有頻率值，-選擇總能量最強(qiáng)的趨勢路徑，-連續(xù)選擇所有其他可能的初始頻率假設(shè)，并針對每個初始頻率假設(shè)選擇總能量最強(qiáng)的信號的頻率的趨勢路徑，-從針對每個頻率假設(shè)所選擇的所有路徑中確定具有最強(qiáng)能量的路徑C3)為最可能路徑且對應(yīng)于接收機(jī)要跟隨的真實路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過將初始時刻、和最終時刻tn之間的相關(guān)結(jié)果相干地合計，來獲得信號的頻率的每個可能趨勢路徑的總能量，所述頻率連續(xù)取自位于所選擇的路徑上的所有頻率值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，針對每個初始頻率假設(shè)，通過考慮由位于接收機(jī)內(nèi)的至少一個慣性傳感器(14)發(fā)送的信息來確定信號的頻率的可能趨勢路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，由所述慣性傳感器(14)發(fā)送的信息在基于所述傳感器的特性所建立的誤差框(1)內(nèi)考慮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，當(dāng)由所述傳感器發(fā)送的信息在兩次測量時刻之間的變化低于預(yù)定變化閾值時，則確定所述接收機(jī)在所述兩次測量時刻之間未移動，則假設(shè)頻率在積分期間是穩(wěn)定的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過移動接收機(jī)優(yōu)化擴(kuò)頻信號的捕捉階段的方法。所述方法包括針對不同的頻率假設(shè)，以及在標(biāo)記相干信號積分的開始和結(jié)束的兩個初始和最終時刻之間在所述頻率的所有可能演變路徑中搜索具有最大能量的路徑。本發(fā)明特別應(yīng)用于GPS(全球定位系統(tǒng))、伽利略或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)類型的衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)。
文檔編號H04B1/707GK102209910SQ200980144523
公開日2011年10月5日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者D·庫布拉克, G·阿爾托, L·里斯, M·蒙內(nèi)拉特 申請人:國家空間研究中心, 泰勒斯公司