参照图3,在直接路径信号316的码片边缘和多径信号318的码片 边缘之间的时间间隔320期间,复合信号314具有复杂但可预期的形 状。在该系统和方法中,使用时间间隔320期间的接收的复合信号314 的显著特征来确定和缓和一个或多个多径导致的误差。
GPS用于说明该系统和方法。但该系统和方法不限于GPS。它们 可用于其它的全球导航卫星系统(GNSS),该系统包括但不限于全球 环绕导航卫星系统(GLONASS)、伽利略(GALILEO)定位系统、欧 洲地球同步导航
覆盖系统(EGNOS)、广域增加系统(WAAS)、基于 多功能传送卫星的增加系统(MSAS)和准天顶卫星系统(QZSS)。
在GPS中,使用具有双相位调制的扩展
频谱伪随机噪声对L波段 载波信号进行编码。由装置110(图1)对复合信号314进行的基本信 号处理是一个跟踪环过程,其用从至少一个卫星接收的复合信号的 相位匹配由该装置110(图1)产生的仿形信号的相位。用于产生仿 形信号的同步提供由该装置110(图1)进行的基本代码伪范围测定 和载波相位测定。该装置110(图1)的跟踪过程不能容易地区分直 接路径信号316和多径信号318,所以它跟踪复合信号314。图4A是跟 踪环过程的400_1的说明图,其中追踪矢量,该复合信号幅度 Ad+m410,是直接路径信号幅度214和多径信号幅度216的矢量和。该 复合信号幅度Ad+m410,以及因此用于相位测定中的信号仿形,具有 相对于直接路径信号幅度214的相位误差φε412_1。图4A还说明了直接 路径信号幅度214和多径信号幅度216之间的
相位差φm414_1,以及相 位φ3rd416_1,其等于180度(或等同地,π弧度)减去φε412_1和φm414_1 的和。图4A对应于时间间隔320(图3)之前的时间。
参照图3,当码片边缘在直接路径信号316中开始并在多径信号 318中结束时,在时间间隔320期间的复合载波信号314的表现可由该 装置110(图1)观测到。鉴于多径信号318相对于直接路径信号316 迟延,所以对应于芯片边缘的载波信号的码跳变发生在多径信号318 中的较后时间。在图4B、4C中说明了一种其使用这种特征的第一方 法,用于缓和多径导致的误差。
参照图4B,由于多径信号116(图1)相对于直接路径信号114(图1) 的时间延迟δ,装置110(图1)的直接路径信号316(图3)的反相发生在 多径信号318(图3)之前。这导致复合信号314(图3)具有不同的相位 (未示出),跟踪过程400_2中的相位误差φε412_2和相位差φm414_2具 有新值。图4B对应于时间间隔320期间(图3)的时间。
参照图4C,在多径信号318(图3)发生反相之后,复合信号314(图 3)具有原始的相位(未示出),跟踪过程400_3中的相位误差φε412_1 和相位差φm414_1将返回到跟踪过程400_1中的值。图4C对应于时间 间隔320(图3)之后的时间。
通过在图4B中测定复合信号314(图3)的相位,在直接路径信 号316(图3)的码跳变之后但在多径信号318(图3)的码跳变之前,可计 算跟踪过程400_1中的相位误差φε412_1。参照图3,然而,第一技术 假定直接路径信号316和多径信号318的码跳变同时发生。这种假设 是不正确的,因为在装置110(图1)和/或一个或多个卫星中存在对 直接路径信号316和多径信号318进行波段限制的滤波。因此,如果 时间延迟δ足够大以允许直接路径信号316的滤波的码跳变,从而实 现在多径信号318的码跳变开始跳变之前的稳态,则第一技术仅适用 于修正多径导致的误差。这限制第一技术至更长多径信号延迟。不 幸的是,在例如跟踪过程400_1(图4A)的跟踪过程中产生最长期相 位误差的多径信号,其依次导致相位测量偏差,且通常具有比装置 110(图1)和/或一个或多个卫星中的一个或多个滤波器的滤波阶跃 响应时间更短得多的延迟。
通过比较
带通滤波器的滤波阶跃响应和例如在
现有技术中假定 的即时滤波阶跃响应,其中该带通滤波器代表了高
精度全球导航卫 星系统(GNSS),可进一步理解该第一技术的限制。图5示出6极 Butterworth滤波器的即时滤波阶跃响应514和滤波阶跃响应516的与 时间512相对的幅度510,该6极Butterworth滤波器具有30MHz的中间 频率等效带宽。注意在对应于滤波阶跃响应516中的零穿越的时间 t1522和对应于理想即时阶跃响应514的时间518之间的时间误差Δt 520。通过从图删除的任何滤波响应中所内含的时间延迟,时间误差 Δt 520表示由代码多径引起的代码跟踪误差。一些很复杂的相关器 设计,例如使用双Δ修正的这些设计,减少这种误差但并不能消除 它。
30MHz的带宽对于目前高精度全球导航卫星系统中的接收器较 宽,但这种幅度的带宽正随着
信号处理速度增加而变得更加普遍, 部分地使得实现多径信号的更大可观测性。另外,这个带宽代表了 全球导航卫星系统(GNSS)中的现代卫星支持的信号带宽。具有 30MHz带宽的一些典型滤波器具有跳变该反相的大约50ns的滤波阶 跃响应时间,并且大约150ns不能获得稳态。其它滤波器具有跳变该 反相的大约40ns的滤波阶跃响应时间并且大约200ns不能获得稳态 (即对应于该滤波器的滤波阶跃响应时间在40-200ns之间,并更一 般地为小于或等于200ns)。其它滤波器具有10MHz的带宽和小于1μ s的滤波阶跃响应时间。当时间延迟δ大于约50ns时,图4A-4C中的 跟踪过程400仅仅是一个合理的模型,其需要直接路径信号114(图 1)和多径信号116(图1)的路径长度差为至少50英尺(feet)。
在图6中示出了直接路径信号、多径信号和复合信号的滤波阶跃 响应结果,包括直接路径即时滤波响应610、多径即时滤波响应612、 直接路径滤波阶跃响应614、多径滤波阶跃响应616和复合滤波阶跃 响应618。注意,除了例如滤波阶跃响应516(图5)的滤波阶跃响应 外,例如在装置110(图1)中和/或一个或多个卫星中的接收器中, 滤波器的滤波特性也可根据滤波脉冲响应或复滤波传递函数来表 征。
图7示出了用于跟踪多径信号116的跟踪过程700,多径信号116 在直接路径信号316(图3)和多径信号318(图3)的码片跳变过程中 具有小于50英尺的路径长度差。在这个说明中,直接路径信号316(图 3)和多径信号318(图3)被使用具有例如滤波阶跃响应516(图5) 的滤波阶跃响应的滤波器来限制波段。在码片跳变期间跟踪过程700 的I 212和Q 210成分沿着轨迹710,而不是在图4A-4C中示出的即时 跳变。注意,轨迹710表示了,代表多径信号216(图2)的矢量在代 表直接路径信号214(图2)结束它的码跳变之前开始码跳变。如下 面所述,通过根据至少一个预定滤波器特性,例如滤波阶跃响应516 (图5),在直接路径信号114(图1)和多径信号116(图1)的码跳 变期间拟合测定轨迹710,可确定并缓和一个或多个多径导致的误 差。
在图8中,示出了一个接收器的典型前端800的框图,该接收器在 例如装置110(图1)的装置中。天线810接收来自一个或多个卫星的 信号。在一些实施例中,该天线810具有内置
放大器。该信号通过宽 带宽的滤波器820来排除波段之外的干扰。滤波之后,该信号由L波 段的载波信号构成,该L波段的载波信号通过一个嵌入的扩展频谱伪 随机噪声码而在10MHz或更宽的带宽上扩展。通过卫星的带宽确定 该信号的总信息容量。在一个实施例中,该带宽稍微小于30MHz。
接下来,通过在
混频器814中混合由基于参考
振荡器818的产生结 构816产生的信号,可将该L波段信号下变频成中频带或基带频率, 并通过带通滤波器820滤波。一般可包括但不要求该下变频步骤,因 为对几百兆赫或较低的频率的信号进行采样和滤波比对在1-2GHz L 波段传输的载波信号频率的信号进行处理要容易的多。最终滤波器 820的带宽必须至少是
卫星信号(例如30MHz)的带宽,否则将丢失 一部分该卫星信号的信息内容。特别是,如果滤波器820的带宽小于 卫星的带宽,该卫星的带宽对于新GPS卫星而言是大概30MHz,则 码跳变的细节降低。
正交发生器826和混频器822_1与822_2产生被滤波信号的同相I 和正交Q成分。在一些实施例中,该正交发生器826和混频器822还提 供信号到基带的最终下变频。该同相I和正交Q信号通过A/D转换器 828和830从模拟转换到数字形式。在一些实施例中,该同相I和正交 Q信号是强度受限的或
限幅的。该数字采样由信号处理器832处理。
注意,在一些实施例中,使用多位A/D转换来限制信号处理损 失。另外,A/D转换器828和830可具有非常窄的采样孔径,所以精确 地知道采样的定时。宽孔径的转换器产生的采样是孔径期间的模拟 信号的平均值,这等同于削弱了采样信号的高频部分。另外,A/D转 换器828和830的采样率必须超出基于信号的信息带宽的尼奎斯特条 件。鉴于卫星信号具有30MHz数量级的信息带宽,接收器必须以等 于或大于30MHz的速率进行复(同相I和正交Q)测定或者以至少两 倍信息带宽的速率(用单个A/D转换器)进行实际测定。在装置110 (图1)的一个示例性实施例中,以40MHz的速率进行复测定。
图9为适用作图8中信号处理器832的信号处理器900的框图。图9 描述了单个接收器信道。在一些接收器中,有10-50个基本相同的信 道来从不同的卫星接收信号。注意,为了执行下面描述的信号处理 功能,接收器必须已经具有对来自一个或多个卫星的信号的相干跟 踪。特别是,必须有载波
锁,其中接收器中载波跟踪回路(未示出) 中的参照信号的
多普勒效应匹配载波信号的多普勒效应,代码锁基 于接收器中的代码跟踪回路(未示出),这允许恢复扩展频谱伪随机 噪声码中的信号功率的最大值。
该信号处理器900从接收器的前端800接收同相I和正交Q采样 910。该采样910在混频器920和932中与载波信号和代码信号的仿形相 混频。在一些实施例中,在混频器920和932中的混频可以相反次序 实施,或可以合并在在单个混频步骤中。在混频器920中的混频由以 一个
角度使同相I和正交Q复旋转,该角度对应于载波信号的仿形的 相位。该角度是通过来自载波跟踪回路的输出912产生,该载波跟踪 回路驱动
载波频率产生结构914。一个加法器916和载波相位求和918 产生对应于该相位的连续数字求和。可以以码片率对采样910进行旋 转。这个旋转从采样910中去除了任何多普勒和任何剩余的中频相位 旋转。在一些实施例中,旋转足够快以满足地,即用可测量的仪器 损失,从采样910中去除了任何多普勒和任何剩余的中频相位旋转。 该载波跟踪回路-其通过反馈控制载波信号的仿形的相位和频率- 可以以
软件或ASIC和软件组合的方式实施在专用集成
电路(ASIC) 中。如果载波信号的仿形的相位和频率是正确的,则旋转的结果为 真正基带、零多普勒的采样。
在混频器932中的混频从采样去除了扩展频谱的伪随机噪声码。 该代码的相位和定时通过来自代码跟踪回路的反馈控制,该代码跟 踪回路可实施在ASIC中,以软件或ASIC与软件相结合的方式。代码 跟踪回路的输出922驱动码频产生结构924。加法器926和代码相位求 和928产生连续的数字和值。来自代码相位求和928的输出驱动代码 产生结构930。对于双相位调制,来自代码产生结构930的输出,是 对应于二进制移相键控的±1。代码产生结构930的输出可仅仅以码 片边缘速率改变符号。
如果,代码信号的仿形的相位和频率是正确的,那么代码从采样 中去除,且可以说该采样是相关的。所产生的解扩频采样代表恒定 的、零多普勒采样(DC项),其可以随着时间被积分。对于扩展的间 隔,可将成功相关的采样求和,从而提高测量的
信噪比。如果代码 信号的仿形的定时在误差上小于一个码片周期(例如对于粗收集代 码,该码片周期大约是1毫秒,码片率的倒数),那么连续的采样是 不相关的,且随时间的积分产生比成功相关的采样小的结果。如果 代码信号的仿形的定时在误差上大于一个码片周期,那么连续采样 是不相关的,随时间的积分产生接近零平均值的结果。
卫星信号的采样可根据载波频率产生结构914和码频产生结构 924的相位分类。一般地,载波跟踪回路使用全部采样,因为这样提 供最佳信噪比。另一方面,根据使用的误差
鉴别器,例如双Δ、选 通相关器或脉冲幅度相关器,代码跟踪回路一般地使用采样的子 集。在一些实施例中,为了取得最好的多径抑制,仅使用测量的采 样的部分,该测量的采样对应于接近码片边缘的码跳变。例如,可 将代码跟踪回路配置来仅仅对那些具有0.75-0.25P码片周期(0.75-1.0 和0.0-0.25)之间的码相位分数的采样求和。在这个实施例中,具有 0.25-0.75之间(大于0.25并小于0.75)相位的采样被代码跟踪回路丢 弃。
卫星信号采样(除丢弃之外的那些)被传送至一系列的累加器。 块936和942检查代码相位求和928的相位,并启动该对应的积分电路 (例如具有输出938和944的积分电路934和940之一),用于对特定的 采样积分。尽管在图9中示出了两个累加器,仍然可有额外的累加 器。一般地,对于给定的接收器信道,有8-32个累加器,其中的每一 个用于累积对应于该累加器的相位范围的卫星信号采样。在一个示 例的实施例中,有16个累加器。每个信道使用多个累加器实现跳变 轨迹的跟踪,例如轨迹710(图7)。另外,在信号收集期间,可使用 更多数量的累加器来增加代码查找速率。
图10提供了对应于16个累积器的积分采样1020相对于滤波阶跃 响应1010的示图。该积分采样1020是通过选择性地积分具有相对于码 片边缘的适当相位的同相I和正交Q采样而产生的。
接收器可根据由接收器使用来积分采样的积分电路的数量来分 类,该采样根据它们相对于码片边缘的
位置来分类。该接收器一般 地在每个码片周期采取基本上恰为整数的采样。每个采样
指定一个 采样号,且在多个跳变上该接收器分别地对每个采样号而积分各个 采样。例如,如果接收器每个码片周期具有4个同相I和正交Q采样 对,则它通过相对于码片边缘对采样1-4进行编号以及通过对该采 样的两个子集求和,来实现一种加或减四分之一码片的相关性。第 一子集仅仅包括采样4,其恰发生在码片边缘之前。第二子集仅仅包 括采样1,其恰发生在码片边缘之后。
在积分采样1020之间的间隔可以是5ns或更小。如果上述的采样 技术用于产生这样窄的采样子集,那么需要复合采样和至少200MHz 的
数据处理速率。根据
能量消耗、部件成本和实施难度,这样高的 采样率实施起来非常昂贵。然而,因为对于来自每个码跳变的每个 累加器有至少一个采样,所以它提供了高的信噪比。
在一些实施例中,一种可替换的技术可用于用更低采样率取得同 样的结果。在这些实施例中,采样率可低至30MHz,Nyquist限制所 允许的最低速度。这种技术使用不是码片率整数倍的采样率。因此, 关于码跳变的采样定时随每个码跳变改变。参照图8,在这些实施例 中,相对于来自一个或多个卫星的载波信号频率,该参照振荡器818 被有意地偏移一般40-100ppm(最大地取决于参照振荡器818的温 度)。对于L1,这对应于60-150KHz(在L1时,1ppm等于1.57542KHz), 并模拟来自A/D转换器828和830的采样中的剩余多普勒偏移效应。这 种偏移确保了码跳变的定时将相对于采样时间慢慢地改变。这确保 了在一段时间周期上,码跳变的采样均匀地分布在信道中的多个累加 器上。
参照图9,对于代码信号的仿形,代码相位求和928的相位用于确定 哪个积分器,例如积分器934,接收给定码跳变的采样。提供精确间隔 的采样所要求的全部是,相应细地测试代码信号的仿形的相位。鉴 于采样的暂时间隔大于每个累加器之间的时间间隔,所以只有一部分 累加器被分配了每个码跳变的采样。实际上,在一些实施例中,对于 每个码跳变,只有一个累加器被分配一个采样。然而,在很多个码片周 期的范围中每个累加器接收很多采样。因为对于每个码跳变只有一 部分累加器接收采样,所以这种技术确实具有关于信噪比的相对缺 陷。但是,鉴于具有小于50ft的路径长度差的多径信号的相关时间非 常长,积分可以继续更长的时间以取得需要的信噪比。100ms到几秒 的积分时间是充分的,并且远远小于具有小于50ft的路径长度差的多 径信号的相关时间。
如果可观测轨迹710(图7)的确切形状,那么可以确定和消除多径 导致的误差效应。如图6所示,多径干涉对复合滤波阶跃响应618具有 几个显著的效应,包括:幅度增加、滤波特性阶跃响应的时间上的增 加,例如阶跃响应的持续时间和反相的起始与零穿越之间的时间误 差Δt 520(图5)。
该系统和方法的基本构想是,通过使用预定滤波特性观测在观测 的复合信号和计算的直接信号之间的偏差,可模拟跳变轨迹710(图 7)和一个或多个多径导致的误差,其中该观测的复合信号例如是复 合信号314(图3),该预定滤波特性例如是滤波阶跃响应516(图5)。 在一些实施例中,在校准过程中确定该预定滤波特性。在其它实施 例中,例如如果
工作温度有改变,那么可重复校准程序。在一些实 施例中,该预定滤波特性可基于卫星或接收器的假定滤波器。该预 定滤波特性不需要是实际滤波特性的完美仿形。而是,它需要足够 近似以使得显著地缓和一个或多个多径导致的误差。
通过图10中的积分采样1020,示出所需要的观测。尽管图10代表 作为一维(真实)采样的观测,码跳变的采样也可以采取作为二维 (复)采样,以提供幅度-例如复合信号幅度Ad+m410(图4A)-和 复合信号的相位(未示出)。如果可以计算误差曲线的形状,那么可 以确定和基本修正幅度Am216(图2)、相位θm220(图2)和对应于 路径长度差的多径信号116(图1)的时间延迟δ。这样做,能可靠 地估计由多径信号116(图1)导致的相位误差Φε412_1(图4A),且 可缓和多径导致的相位误差。下面描述根据跳变轨迹710的模型(图 7)估计相位误差Φε412_1(图4A)的信号分析方法(有时在本文称 为
算法)。
这种信号分析方法估计限定轨迹710(图7)的参数,从而模拟 该轨迹710(图7)。在后面算法的描述中,使用两个时间指数。一个 j指数表示一组数据的实际时间或者重复时间。(在经过多个码跳变 周期积分之后),每次进行完整并独立的测量组,重复该信号分析。 选择重复时间,使得它足够的长以提供用于可靠估计的充分信噪 比,以及足够的短以至可观测多径信号116(图1)中的变化。如前 面所提到的,鉴于具有
短路径长度差-即小于50ft-的多径干涉随 着时间缓慢改变,产生几百秒数量级的多径相关时间,从100ms到几 秒的重复速率是典型的。一个k指数表示相对于对应于理想码跳变的 即时阶跃响应时间t0518(图5)的、数据组内特定数据采样的时间延 迟。参照图10,当k=0,便参考在积分采样1020的最左边采样的数据, 且其对应于码跳变的开始。当k=1,数据采样便对应于向右的下一个 点,如此在滤波阶跃响应1010上继续。
该信号分析方法估计下面的参数:
直接路径信号的幅度Ad214(图2);
多径信号的幅度Am216(图2);
相位误差Φε412_1(图4A);
相位差Φm414_1(图4A);和
时间延迟δ。
该信号分析方法使用下面的输入:
预定滤波阶跃响应SR(t),其中t是时间;
复合信号幅度Ad+m419(图4A),其使用稳态的信号跟踪回路(未 示出)测定;和
在码跳变期间的多个时间上进行的同相I(t)和正交Q(t)基带测量。
对于一个给定的码跳变,I(t)和Q(t)可表示为:
I(t)=Ad·SR(t)·cos(φε)+Am·SR(t-δ)·cos(φ3rd) (1)
Q(t)=Ad·SR(t)·sin(φε)-Am·SR(t-δ)·sin(φ3rd),
其中Φ3rd为由下式给出的相位Φ3rd416_1
φ3rd=π-(φε+φm).
由于该信号分析方法估计多个相关的量,所以它具有两个程 序。第一个程序估计相位Φ3rd416_1(图4A)和时间误差Δt 520(图 5)。注意,时间误差Δt 520(图5)还对应于接收器中重构代码定时 中的误差。该信号分许方法确定码跳变的适当时间对准和跳变的测 量时间,其由I(t)和Q(t)采样的定时代表。由于第二程序敏感地 取决于对应于该理想的即时阶跃响应514(图5)的时间t0518(图5) 和轨迹710的起始(图7),所以适当的时间对准是重要的。第二程序 估计其它的参数。下面首先描述该算法中的第一程序。
跳变轨迹710(图7)是直接路径信号114(图1)上的码跳变时的 I(t)对于Q(t)的图,在时间上后面紧跟着延迟的多径信号116(图 1)的相同码跳变。接收器或卫星中的滤波器的滤波阶跃响应,例如 滤波阶跃响应1010(图10),限定了这些码跳变的形状。如图5所示, 码跳变是时间的函数。然而,如前面所提到的,该预定滤波阶跃响 应不必是实际滤波器特性的完美仿形。也需注意,对应于理想即时 滤波阶跃响应的时间t0518的初始估计值是通过代码跟踪回路(未示 出)提供的。在该信号分析方法的第一程序中确定的时间误差Δt 520 的估计值是一个在时间t0518的初始估计中的任何剩余的多径导致的 代码跟踪误差的准确估计值,以及因此是伪范围测量。因此,在这 个技术中确定的参数可用于修正这种伪范围导航计算中的剩余的多 径导致的误差以及相位误差Φε412_1(图4A)。
通过修正等式1,可生成允许确定时间误差Δt 520的等式。定义
x=Ad+m·SR(t0)-I(t1)
和
y=Q(t1),
其中该时间t0518是通过该代码跟踪回路提供的初始估计值,时间 t1522是包括多径信号116(图1)的效应的码跳变的实际时间。使用 来自等式1的I(t)和Q(t)产生
x(t1)=Ad+m·SR(t0)-[Ad·SR(t1)·cos(φε)+Am·SR(t1-δ)·cos(φ3rd)] (2)
y(t1)=Ad·SR(t1)·sin(φε)-Am·SR(t1-δ)·sin(φ3rd).
基于(来自图4A)的三角关系替代
Ad+m=Ad·cos(ε)+Am·cos(3rd)
得到
x(t1)=Ad·[SR(t0)-SR(t1)]·cos(φε)+Am·[SR(t0)-SR(t1-δ)]·cos(φ3rd)
y(t1)=Ad·SR(t1)·sin(ε)-Am·SR(t1-δ)·sin(φ3rd).
用下式乘以x(t1)
得到
x(t1)·tan(φ3rd)=Ad·[SR(t0)-SR(t1)]·cos(φε)·tan(φ3rd)+Am·[SR(t0)-SR(t1-δ)]·sin(φ3rd)
y(t1)=Ad·SR(t1)·sin(φε)-Am·SR(t1-δ)·sin(φ3rd).
从第二等式和再排列结果中减去第一等式得到
y(t1)=x(t1)·tan(φ3rd)-Ad·[SR(t0)-SR(t1)]·cos(φε)·tan(φ3rd)+[Ad·SR(t1)·sin(φε)-Am·SR(t0)·sin(φ3rd)].
参照图4A,注意
Ad·sin(φε)=Am·sin(φ3rd).
将这个关系式替换到前面的等式中,得到
y(t1)=x(t1)·tan(φ3rd)-Ad·[SR(t0)-SR(t1)]·cos(φε)·tan(φ3rd)+[Am·SR(t1)·sin(φ3rd)-Am·SR(t0)·sin(φ3rd)].
简化这个等式得到
y(t1)=x(t1)·tan(φ3rd)-[SR(t0)-SR(t1)]·[Ad·cos(φε)·tan(φ3rd)+Am·sin(φ3rd)].
进一步简化得到
y(t1)=x(t1)·tan(φ3rd)-[SR(t0)-SR(t1)]·[Ad·cos(φε)+Am·cos(φ3rd)]·tan(φ3rd).
这个表达式可重新表示为:
y(t1)=x(t1)·tan(φ3rd)-[SR(t0)-SR(t1)]·[Ad+m]·tan(φ3rd).
对于小值的时间误差Δt 520(等于时间t1522减去时间t0518),
对于在对应于接收器中全部n个累加器的每个数据组中的n个 输入I和Q采样,后面的y(t)的等式可以矩阵形式重写
矩阵等式(3)可以多种方式解答,但最简单的是最小平方拟合 方法。这种最小平方计算的结果是具有斜率tan(Φ3rd)和与时间误 差Δt 520成比例的截距的直线的参数。第一程序中,等式2和3用 于形成时间误差Δt 520的估计量,其用于重复地更新时间t0518直到 时间t0518等于时间t1522且基本Δt=0,即直线的y截距等于等于0。 斜率的估计用于形成相位Φ3rd416_1(图4A)的估计值。特别地,斜 率的第j估计值根据下式更新
其中k为回路增益的倒数。回路增益的典型值为10-1000之间。该回 路增益可随该第一程序收敛到一个解而变化。一个适当的收敛性判 别标准为在重复期间所估计的斜率变化小于10-4。时间t0518(图5) 的第j估计值是
该相位Φ3rd416_1(图4A)的估计值是由下式给出
起初,斜率估计独立地进行以允许斜率的估计值在更新时间 t0518之前收敛。当时间t0518等于时间t1522,等式3简
化成y(t)=x(t)·tan(φ3rd). (4)
因此,当矩阵等式3的解产生等于0的截距,等式2的输入x 和y数据拟合一条具有斜率tan(Φ3rd)的直线,因为该数据组通过 等式4的直线限定。
图12为信号分析方法中的第一程序1200的
流程图。I(t)和Q (t)为在步骤1210的输入。在步骤1212计算x(t)和y(t),并 在1214确定时间误差Δt 520和tan(Φ3rd)的估计值。如果斜率没 有收敛1216,则重复这些步骤。如果斜率收敛1216,在步骤1218 更新时间t0518的估计值,在1220输出相位Φ3rd416_1(图4A)并重 复这些步骤。现在描述该信号分析方法中的第二程序。
在建立正确的定时以及产生相位Φ3rd416_1(图4A)的初始估计值 后,估计描述跳变轨迹710(图5)的参数的其余参数。该信号分析方法 首先估计参数的I成分,然后估计参数的Q成分。在可选择的实施例中, 该信号分析方法首先估计Q成分参数,然后估计I成分参数。在又另一个 实施例中,可同时地估计Q成分参数和I成分参数。从两个成分Adcos( Φε)和Adsin(Φε)估计直接路径信号的幅度Ad214(图2)。使用来自 第一程序的相位Φ3rd416_1(图4A)的估计值,从两个成分Amcos(Φ3d) 和Amsin(Φ3d)估计多径信号的幅度Am216(图2)。使用泰勒展开分 别地估计时间延迟δ,这产生δ中的一个线性项。
在第二程序中估计的量为
根据估计的量重写等式1,得到
其中下标jk表示在重复j的第k数据采样。然后通过取估计的I(t)和 Q(t)之间的差值以及来自接收器的I和Q数据采样,形成测定等式
x(k)=tjk
围绕时间延迟δ的估计值的泰勒展开用于线性化这些等式。定义
并仅使用时间的下标(数据组的重复是j,数据组的重复内的采样是 k)以及丢弃符号t,得到
x(k)=k
对于输入I和Q采样数据组,泰勒展开可以矩阵方式重新写为
和
然后分别地解等式5a和5b。这些矩阵等式可以多种方法求解, 但最简单的是使用最小平方拟合方法。如果该矩阵是过确定的,则 该最小平方拟合方法确定一个伪倒数矩阵。等式5a和5b的解为以 下两个误差矢量的估计值
和
使用这些误差估计值根据下式更新跳变轨迹成分的估计值
其中,k为回路增益的倒数。回路增益的典型值为10-1000之间。该 回路增益可随该第二程序收敛到一个解而变化。注意在一些实施例 中,前面等式中的一个或多个中的k值可不同于其它等式中的k值。
图13为信号分析方法中的第二程序1300的流程图。在步骤1310 中,初始化AI和AQ的估计值、多径信号幅度Am216(图2)和时间 延迟δ。在1312,确定I(t)和Q(t)的估计值。在1314,测量的 I(t)和Q(t)被输入。在1316,计算对于I采样的x和y以及对 于Q采样的y。在1318,计算ΔAI、ΔAm和Δδ。在1320,计算Δ AQ、ΔAm和Δδ。在1322,更新ΔAI、ΔAQ的估计值、多径信号幅 度Am216(图2)和时间延迟δ。然后重复这些步骤,直到第二程序 收敛1300。适当的收敛性标准是,重复期间所估计的参数的变化小 于10-4。在1324,然后估计其余的参数。
从由第一和第二程序计算的量,可确定对于全部描述跳变轨710 (图7)的参数的估计值。该第一程序提供时间误差Δt 520和相位 Φ3rd416_1(图4A)。在第二程序中,确定对于时间延迟δ和多径信 号幅度Am216(图2)的估计值。从这些参数,可确定对于其余参数 的估计值。具体地
φm=π-(φε+φ3rd).
相位误差Φε412_1(图4A)的估计值允许与这个参数相关的多 径导致的误差在导航计算中被修正。该导航计算可包括确定:位置、 任何位置导数和/或位置与一个或多个位置导数的组合。信号分析方 法的实施例的仿真示出,对于小至1m的路径长度差,其可有效地消 除大至95%的多径导致的误差。
用于缓和一个或更多多径导致的误差的系统和方法的说明及示 例实施例可用于一个或多个多径信号。如果有超过一个的多径信号 存在,则估计的参数将对应于多径信号的矢量和。如果这些滤波器 的滤波特性是已知的,该系统和方法可还用于多个接收器或卫星。 如果滤波器具有足够相似的滤波特性,则在一些实施例中,平均滤 波特性可用于实施该系统和方法。
尽管上述的系统和方法对于缓和大于50英尺的路径长度差的一 个或多个多径导致的误差也是有用的,但是有一些与这样的多径信 号相关的额外挑战。特别是,这样的多径信号具有较短的相关时间。 在这些使用较低的采样率并经过时间积分以取得足够的信噪比的实 施例中,这可能是有问题的。在这些实施例中,该系统和方法可结 合其它多径导致的误差缓和技术使用,该技术例如是双Δ修正、选 通相关器和脉冲孔径相关器。双Δ修正技术和其它的多径导致的误 差缓和技术,良好地适于结合这种系统和方法使用。特别是,上面描 述的系统和方法缓和与多径信号有关的相位误差以及还估计剩余的 多径导致的伪范围误差,其中该相位误差未由这些其它的多径导致 的误差缓和技术消除。另外,这些其它的多径导致的误差缓和技术和 上述的系统及方法相互之间不影响。
该系统和方法可用于在CA代码的接收器重构的定时中缓和多径 导致的误差,例如伪范围误差。具体地,在没有确定相位误差Φε 412_1(图4A)的情况下,通过仅实施信号分析方法中的第一程序, 可确定时间误差Δt 520(图5)。在这样的实施例中,适当的滤波带宽是 大概10MHz,滤波阶跃响应时间应该基本上小于1μs,即CA代码的周 期。
该用于缓和与近程多径信号有关的相位误差的系统和方法可实 施在多个结构中。模拟处理、数字
硬件和软件信号处理之间的划分 线是任意的,并在接收器之间变化很大。常常地,接收器中信号处理 的一大部分实施在ASIC中。其它结构使用ASIC和由一个或多个处 理器执行的软件的组合。趋势已经变成以软件来实施一个或更多的 接收器。一些接收器,包括非实时的那些,已经完全地以软件实现。 另外,一些接收器已经用模拟电路实现全部信号处理。
在一些系统的实施例中,在33ns(30MHz)或更小的时间尺度上执 行的步骤使用模拟电路来实现。在33ns-1ms之间的时间尺度上执行 的步骤使用ASIC来实现。在较长的时间尺度上的其余步骤,例如累 加器中的积分,使用由例如
微处理器的一个或多个处理器执行的软 件来实现。
图11示出了全球导航卫星系统(GNSS)中用于缓和一个或多个多 径导致的误差的装置1110的一个实施例。该装置1110包括:
●前端电路1112,例如前端电路800(图8);
●信号处理器1114,例如信号处理器900(图9);
●处理器1116;
●存储器1118,其可包括高速随机
访问存储器并可还包括非易 失存储器,例如一个或多个磁盘存储装置,EEPROM和/或闪存 EEPROM,该存储器进一步包括:
操作系统1120;
一个或多个滤波特性1122;和
至少一个程序模块1124,其由处理器1116执行,该至少 一个程序模块1124包括指令用于:载波和代码锁1126、可 选的其它多径修正1128(例如双Δ修正、选通相关器和脉冲 孔径相关器)、包括前面描述的第一程序和第二程序的多径 计算1130、以及相位误差Φε412_1(图4A)或伪范围的多 径修正1132。
在一些实施例中,可以有超过一个的处理器1116。如前所提到 的,在其它的实施例中,该装置1110可包括ASIC并且该至少一个 由处理器1116执行的程序模块1124的功能的一些或全部可实施在 ASIC中。
出于解释的目的,前面的描述使用特别的术语来提供本发明的 详细理解。但是,对于本领域技术人员来说,该特定的细节并非实 施本发明所要求的。选择和描述的实施例用于最佳地解释本发明的 原理和它的实际应用,从而使本领域技术人员最佳地利用本发明以 及具有各种变化的各种实施例,其适用于所考虑的特别应用。因此, 前面的公开内容目的不在于穷竭或限制本发明成公开的准确形式。 关于上面的教导,可能有很多修正或变化。
本发明的范围由后面的权利要求和它们的等同来限定。