專利名稱：基于衛星網絡的定位接收器的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于由環繞地球軌道運行衛星群發送的無線電中繼信號確定某一點相對地球的位置的系統。
目前，有兩個幾乎可在地球任何地方進行位置確定的全球定位系統，它們分別是GPS系統(全球定位系統)和GLONASS系統(全球軌道導航衛星系統)。
二者均使用環繞地球的衛星網絡，每一衛星有規律地發送接收器可接收的、以便計算該位置經度、緯度、高度及其速度和準確時間的編碼無線電信號。一稱作RGIC(隨機同步綜合信道)的輔助系統也同時被使用，它利用同步衛星向其所在的地球某一區域發送信號。
GPS系統在1575。42MHz載頻L1和1227。6MHz副載頻L2上發送擴頻無線電信號。此處，僅頻率L1在考慮范圍之內，但以下所提出的原理，在需要之時，可被應用于頻率L2。
信號頻譜通過偽隨機碼擴展，即載頻L1上的信號被一也稱作PRN碼(代表偽隨機噪聲)的重復偽隨機碼調制；實際上，該系統使用兩類PRN碼，即-C/A碼(粗采樣)以1.023MHz的位頻率發送；其長度為1023位，整個序列寬1毫秒；C/A碼可進行大致位置確定。
-和P碼(代表″精確″)以10.23MHz頻率發送，可進行更準確的定位。
碼的邏輯轉換與載頻L1同步，該調制是已定義的相位調制(BPSK)。
C/A碼可被公眾獲得，且必須在接收器內生成，其原因有三首先，它們使檢測和解調所接收的信號成為可能，這些信號被埋入較大值的噪聲(高于信號20至30dB)中；檢測是通過來自衛星的接收碼與本地生成的相同碼間的相關進行的；此外，它們使識別發送衛星(在GPS系統中，每一衛星被分配特定的C/A碼)成為可能；最后，它們使測量時間延遲(時間延遲是準確計算位置不可缺少的)成為可能。
P碼不可被公眾獲得；它們為軍事應用保留，而且可能被加密傳輸。
在載頻L1上傳輸的信號還可以采用低速率(波特率為50)二進制數據(它們代表衛星導航信息，即，接收器中用于位置計算的數據)編碼，這些導航數據是天體位置推算表(其一方面可使任一時間計算衛星所處準確位置(準確到1米)成為可能，另一方面，為所有采用該系統的接收器提供公共參考時間)。此處再次明確，載頻L1上的數據調制是相位調制。
衛星與接收器間的距離通過測量衛星與地球之間無線電信號以光速傳播的時間而得以確定。因此，可特別通過測量偽隨機碼的一個標志位(起始位)通過衛星發送時刻與接收器接收該位的時刻的差值而得以確定。
一旦接收器在測量時刻得知衛星在此框架內的位置，接收器至三個不同衛星的距離使可能確定固定地表范圍內接收器的位置。第四個衛星使可能消除接收器與GPS系統時鐘偏差每一時刻衛星的位置參考通用系統時鐘來確定，且所傳輸的導航數據使接收器確認該時間基準。在起初不具有準確的時間基準的情況下，測量通常重復進行2或3次，由于信號從衛星到地球的傳播時間，只可能將衛星所傳輸的時鐘大致鎖定在10或20ms之內。
接收器對衛星的相對速度也可通過測量所接收載頻L1上的多普勒效應而得以確定。接收器在固定地表范圍的速率可由此推知。
RGIC系統與GPS系統很類似。GPS使用環繞衛星；RGIC系統使用同步衛星；它附加于GPS系統，以便彌補后者的不足或以防后者的崩潰。其信號類型仍然相同，載頻L1相同。相同長度和頻率的偽隨機碼被用于識別衛星。RGIC與GPS的編碼不同，其導航數據頻率為250波特，而不是50波特。該數據利用對信息進行壓縮的Viterbi算法編碼。
GLONASS系統按照類似的一般原理工作。以下指出其不同之處-選擇地表框架不同其地球中心的選擇與GPS系統中的不完全相同。方向北不完全一致，因此，若要求GPS接收器提供GLONASS位置，則需基于轉換表或轉換軟件進行轉換。
-在GLONASS系統中，導航數據以100波特，而不是50波特的速率傳輸，且其偽隨機碼頻率為511kHz。
-而且，載頻L1不是唯一的。每一衛星用一特定的可使其被識別的載頻L1進行發送。偽隨機碼對于所有衛星是相同的。它不用于識別衛星，而僅用于從噪聲(未擴展頻譜)中提取信號，并為準確測量接收器與衛星間距離確定時間偏差。整個GLONASS系統所使用的頻帶與GPS系統的相去甚遠；該頻率范圍由大致1600MHz至大約1615MHz。頻率L2同樣為多種。
在些情況下，必須注意設計用于接收GPS信號的接收器不適用于通過由GLONASS衛星發送的無線電信號計算位置，反之亦然。
然而，仍然有很多情況下要求能夠使用任一系統和輔助系統，如RGIC。這是由于若一系統的特定衛星未保證正常工作，或由于政治原因使其暫時不能使用，對基于其中一個系統建立操作過程的用戶后果十分嚴重。此問題在當今則更為重要，由于許多系統的安全開始基于通過衛星對位置的準確測量。尤其在日益依靠GPS和GLONASS系統進行航海導航、航空導航的情況下。例如，目前向基于來自在現存衛星網絡的信號的陸地救援方法系統化的方向發展。
采用兩個專用接收器，且在一個失靈時使用另外一個，是可行的。這對于用戶來說費用加倍。或者，制作包含雙接收系統的混合型接收器。然而，這種接收器十分昂貴，由于所需的GPS信道數要求同時接收GPS衛星個數相同(至少為4個)，且所需GLONASS信道數個數要求同時接收GLONASS衛星個數相同(至少為4個)。
因此，需要能夠接收GPS或GLONASS或RGIC信號及其它未來各種系統信號，且不包含兩種不同接收器簡單(昂貴)并置的低成本接收器。
因此，本發明提出一種新的衛星信號接收器結構，它使獲得能夠應用于單一載頻L1的系統(如GPS)和具有許多載頻的系統(如GLOBNASS)中的價格合理的接收器成為可能。利用這一結構，尤其對于數字信號處理(接收器內復雜而昂貴的部分)，可能使用能夠從任一系統接收信號的通用信道。
根據本發明，提出一種衛星信號接收器，能夠接收和處理從屬于某一單一載頻網絡的衛星發送的信號以及從屬于多載頻網絡的衛星發送的信號。該接收器包括-一無線電信號接收鏈(10，12，14，16，18，34，38)，它包含用于根據所接收的載頻，將其移位到幾個移位頻率上的電路，并至少包含一個模擬/數字轉換器(38)，該模/數轉換器用于轉換信號，并由此將其移位成具有對應幾個衛星的同時接收的移位載頻的數字信號，并在不同載頻上發送。
-至少一接收具有幾個移位載頻的數字信號處理信道，每一信道包括一隨機碼相位和移位載頻相位-伺服控制回路，伺服控制回路一方面包括至少一由頻率設定點信號控制的數字相位控制振蕩器(108)和相位誤差信號；另一方面包括一可程控的本地隨機碼生成器(114)，-碼選擇裝置，該裝置使用戶向碼生成器施加一用于從幾種可選碼中選擇一種編碼的信號，各種編碼對應兩種網絡的不同衛星，-頻率選擇裝置，它使用戶向振蕩器施加一用于從幾個頻率之中選一個的設置點信號，各種設置點信號對應第二種網絡的不同衛星和第一網絡的所有衛星；接收器最后包含用于從伺服控制回路所提供的數據計算位置的裝置(50、80)。
注意，在本發明所提出的結構中，頻率移位數不同于載頻數。然而，由于實際原因，射頻接收鏈對單一頻率系統和多頻率系統信號可采取獨立移位和通路濾波的措施。可選擇獨立的模擬/數字轉換器。但各種數字信號處理信道是通用的，并包含一個處理路徑。
本地數字相位控制振蕩器可選擇工作于一計算頻率，該計算頻率比射頻接收鏈轉送的最高移位頻率的兩倍還高。
為提供一對本原始結構清晰的理解，以下簡要指明幾個其所依據的總原則。
基本假設是接收器必需同時適合于單一頻率系統L1和多頻率系統L1。
A.通過天線接收的無線電信號經過至少一個載頻移位和至少一寬帶濾波(使其可能等同地接收多頻系統中的各種載頻)。可能會存在帶有連續中間頻率的幾步的移位。對于單一頻率系統，移位可使調制信號移至基帶，而不是某一中間頻率。在多頻系統中，移位根據所接收的載頻，以某一中間頻率終結，同時，寬帶濾波使所有對應各載頻的所有可能的中間頻率通過。
B.借助于模擬/數字轉換器(其工作頻率一般比移位和濾波后接收到的最大中間頻率大得多)，移位信號被轉換為數字信號。
C.頻率移位并轉換為數字的信號一般被施加與幾個信號處理信道(信道數與其所要求同時接收衛星數相同)并聯。每一信道能夠處理單一頻率系統或多頻系統的信號。信道相同且可編程。編程包括以數字命令形式為每一信道提供指示識別其所使用的網絡或衛星。
D.每一信道包括根據頻率和相位用于伺服控制的偽隨機碼相位和載頻相位數字伺服控制回路，考慮到多普勒效應，隨機碼在本地生成，且從衛星接收相同隨機碼。回路接收來自衛星經頻率移位和模數轉換后的信號，它生成用于進行編碼相位和載波相位伺服控制的載波相位誤差信號和編碼相位誤差信號。
E.為進行編碼相位控制，伺服控制回路采用可編程本地偽隨機碼生成器(即，它能夠根據其所接收信號的衛星選擇發送不同編碼GLONASS碼或選擇RGIC或GPS碼)；該發生器由時鐘選通(其工作通過由回路生成的編碼相位誤差信號根據相位和頻率進行的)。
F.為進行載波相位控制，伺服控制回路也采用本地數字相位控制振蕩器(它一方面接收一初始設置點，另一方面，接收載波相位誤差信號)；初始值可編程，并對應從許多值(GPS頻率或GLONASS頻率)中選擇的某一衛星頻率的伺服控制。本地振蕩器的工作頻率(即，計算數字合成相位采樣的頻率，而不是所產生振蕩的頻率)足夠高以使屬于模擬/數字轉換器能夠轉換頻帶的所需頻率可被合成。
所提出的上述原則，應當注意，本發明同時提出一用于在接收器內接收衛星信號并從所接收信號確定接收器位置的方法，衛星或者屬于只有一個載頻的第一網絡，或者屬于具有幾個載頻的第二網絡，特征在于其所包含的下述操作-通過天線接收來自幾個衛星的信號，-將所接收的各種信號載頻移位，由此根據所接收載頻生成幾種移位的不同載頻信號；-將幾路同時接收的載頻施加到至少一個公共模擬/數字轉換器，將相應的復合信號轉換為數字信號；
-將來自轉換器的數字信號施加到至少一個為所有從轉換器接收的移位載頻所共有的信號處理信道；-從對應不同衛星的幾個可能的設置點頻率中選擇對應特定移位頻率的設置點頻率，并將相應的設置點信號施加到一數字相位控制振蕩器，以便使該振蕩器生成設置點頻率，該振蕩器還接收由相位伺服控制回路得到的相位誤差信號；-選擇偽隨機碼，并將一對應設置點信號施加給一可編程偽隨機本地碼生成器，以便使生成器從幾種可能的編碼中生成一所需編碼，編碼生成器處于伺服控制回路之中，提供相關裝置以使所生成的編碼移位，以便使其與由轉換器接收的調制信號的相同編碼同步；-由伺服控制回路所提供的數字值計算接收器位置。
本發明的其它特征和優勢將從下文參考附圖的詳細描述中得以顯示-

圖1代表根據本發明的衛星信號接收器的總結構；-圖2代表圖1接收鏈中處理的頻帶框圖；-圖3代表處于射頻信號接收鏈下游的數字信號處理電路的結構。
本發明將就既能接收來自GPS衛星網絡(帶有一個載頻L1的網絡)的信號又能接收來自GLONASS衛星網絡((帶有多個載頻L1的網絡))信號的接收器進行詳細描述。
根據本發明的接收器的整體結構包括無線電天線10，其后跟隨使所有所需載頻通過的濾波器12。該濾波器最好是雙帶濾波器，一非常窄帶(幾個MHz)用于1575。42MHz的GPS頻率，一約為1597至1617MHz的較寬頻帶用于整個所有可能的GLONASS頻率。
該濾波器后接一低噪聲射頻放大器14，其后接與第一濾波器相同類型的新的濾波器16。由此放大并濾波的射頻信號被施加到一組頻率移位電路18，以生成處于比載頻L1更小的中間頻率信號，但保留這些載波的相位調制；頻率移位在可被后續信號處理電路處理的頻率處終止。快速硅信號處理電路的最大工作頻率的數量級大約在60MHz。可選擇比此值小的中間頻率。
盡管這不是必要的，頻率移位通常在幾個級聯的階段進行，帶有逐漸變低的中間頻率。圖1所示的實例中，第一級20用于移位至第一中間頻率，其后跟隨第二級30用于移位至更低的中間頻率。第一級20利用本地振蕩器OL1、混頻器ML1和濾波器22、24。它將所接收的信號，GPS或GLONASS，移位成與所接收信號載頻數量相同的中間頻率信號第一中間頻率來自將頻率為1575。42的GPS載波頻率移位；除此之外，還有與GLONASS載頻數量相同的中間頻率，這是由于使用了不依賴所接收GLONASS載頻的同一本地振蕩器OL1。混頻信號并行通過兩個獨立的濾波器中心值在移位GPS載頻后產生的中間頻率的窄帶濾波器22，該濾波器只允許GPS信號通過；濾波器24具有較寬的帶寬，可允許由移位GLONASS載頻后生成的所有中間頻率。
第二移位級30以相同方式工作，但對GPS和GLONASS采用分離路徑。
濾波器22(GPS路徑)的輸出被施加于混頻器ML2(它還接收本地振蕩器OL2發送的頻率)；混頻器ML2的輸出被濾波器26濾波(該濾波器以移位后的一中間頻率為中心，該頻率在下文中被稱作移位后載波頻率Ft0)。對于GPS路徑，移位后載波頻率Ft0可能為零(在多普勒效應之內)輸出信號是一包含多普勒效應的基帶調制。濾波器26的帶寬LB0必須使GPS信號的調制頻譜通過，當然也包括多普勒頻率。
另一頻率移位路徑，GLONASS路徑，包括混頻器ML3，振蕩器OL3和濾波器28。移位產生一系列載頻Ft1至Ftn每一對應一GLONASS載頻L1。GLONASS路徑的濾波器28的通帶LB1比GPS濾波器26的寬得多。它自最低移位頻率Ft1至最高移位頻率Ftn。此外，當然在這些極值頻率上也考慮調制頻譜和多普勒效應。因此，帶寬LB1至少為15或20MHz。
本地振蕩器OL1、OL2、OL3已在圖1中作為一個獨立元件被描述。事實上，鎖于一參考振蕩器的頻率合成器在互鎖頻率上提供OL1、OL2、OL3三個輸出。
接收器還包括，對于GPS路徑，一其后跟隨一模擬/數字轉換器34的增益控制放大器32；對于GLONASS路徑，一其后跟隨一模擬/數字轉換器38的增益控制放大器36。若轉換器在幾位上對模擬信號編碼則進行增益控制，對一位編碼不使用增益控制在許多情況下也是可行的。增益控制信息源于對一系列數字信號取樣的統計計算。
轉換器以比可能接收并發送給轉換器的最高移位頻率的二倍高得多的采樣頻率Fc工作。對于GLONASS路徑，最高頻率Ftn的數量級可能在20MHz。實際上，需要比50MHz高的轉換頻率，如60MHz。為方便起見，由于不論信號的來源，所生成信號在后面由相同電路進行處理，所以對GPS路徑也采用相同的工作頻率Fc。
轉換器產生數字信號。該數字信號是以頻率Fc對一包含一個或多個移位載頻(對于轉換器34為Ft0，對于轉換器38為Ft1至Ftn)模擬信號所進行的連續采樣值，它通過多普勒效應進行修正，并由偽隨機碼和由接收器可見的每一衛星的導航數據進行相位調制。
這些載有信息的數字信號施加于由計算處理器50通過信息總線60和控制總線70與電路40進行通信而進行控制的數字信號處理電路40。計算處理器本身與一以從信號處理電路40和計算處理器50得到的信息進行位置計算的微處理器80進行通信。微處理器80采用軟件90(該軟件可被稱為“PVT軟件”，因為它用于由計算處理器所提供的數字信息計算PVT(點，速度，時間)位置。微處理器80由接收器用戶控制，它可通過多功能外設(顯示屏、鍵盤、打印機等)或通過控制按鈕和特殊用途顯示系統與他進行通信。計算處理器50和微處理器80可被集中到一個微處理器中。
因此，由圖1可見，有兩個不同的路徑用于從所接收的信息中提取信息，取決于是想利用GPS網絡還是利用GLONASS網絡。而且，應該注意，獨立路徑的解決方案僅從以下事實得出1575、42MhzGPS頻率遠離最高GLONASS頻率(約1671MHz)。頻率差大于40MHz。如果未來可能構造工作于100MHz或更高頻率的模擬/數字轉換器(利用GaAs、鍺、超導體、等的快速半導體技術)，那么GPS通道失去其作用，僅GLONASS通道保留在圖1所示電路中，以便流通GPS和GLONASS信號。其原理是，若第一網絡的單一載頻與第二網絡的載頻足夠近，則單一通道就足夠了。
圖2示出了GPS(F0)和GLONASS(F1至Fn)載頻的分配、GPS(由于接收器和衛星間的相對運動，Ft0可能為0或等于多普勒頻率)和GLONASS(Ft1至Ftn)移位頻率的相應分配、濾波器22的帶寬LB0和濾波器24的帶寬LB1。轉換器38的工作頻率Fc遠大于2×Ftn，例如，若Ftn約為20MHz，則工作頻率為60MHz。
圖3示出了根據本發明的接收器信號處理電路40的總結構；計算處理器50的部分電路也同時示出。可以看出，信號處理電路40不包含用于處理GPS信號和處理GLONASS信號的獨立路徑。電路40入口處的多路器102在兩個輸入端子接收來自轉換器34和38的數字信號，并可根據用戶命令選用GPS網絡或GLONASS網絡。多路器102選擇的信號經電路40(它接收來自GPS路徑的信號或來自GLONASS路徑的信號，既使它們對應不同的頻帶)進行處理。
此處，處理電路40包括幾個信道原則上為4個或更多)；它們是相同的，下文僅對一個信道作詳細描述。來自多路器的信號被多個并行通道接收。每一通道被編程以接收來自處于接收器直接指向的特定衛星的信號，但任一信道可被編程接收來自GPS或GLONASS(或RGIC)衛星的信號。
一信道需包括-本地移位載頻生成器，以便在接近所需使用移位載頻處生成本地信號；-碼生成器，用于生成與所需檢測偽隨機碼相同的本地偽隨機碼；-隨機碼相位和載波相位伺服控制回路，該回路產生載波相位誤差數字信號和編碼相位誤差數字信號，它一方面意在將本地頻率發生器伺服控制到由多路器所接收信號的相位(和頻率)，另一方面，將本地偽隨機碼相位伺服控制到可能出現于多路器所提供信號中的隨機碼的相位。誤差信號作用于本地頻率發生器和本地碼生成器，并通過數字計算處理器50執行計算軟件而生成。
上面所提及并出現于信號處理電路的每一信道的各種單元將在下面描述。
盡管既存在載波相位伺服控制又存在編碼相位伺服控制，不可想象采用兩個獨立的伺服控制回路，因為，可以看出，實際上，兩個伺服控制的其中一個嵌于另一個之中。
由多路器102輸出的GPS或GLONASS信號被施加到兩個能夠接收表示由數字相位控制振蕩器108所生成周期數字相位信號的正弦(對于其中一個多路器)和余弦(對于另一多路器)數字信號的數字多路器104和106。該數字相位控制振蕩器包括上述本地頻率發生器。振蕩器108的計算頻率，即用以傳遞相位增量的頻率，是必須比多路器輸入處最大移位載頻二倍高得多的頻率。實際上，它與轉換器34和38的采樣頻率Fc相同，但這不是必須的。
振蕩器108包括可施加相位增量值(迭加到每一新的計算)的數字控制輸入。實際上，振蕩器的操作包括在頻率Fc處重復進行前一輸出相位和由控制輸入所施加的增量的相加操作，以便生成新的輸出相位。此處，控制輸入施加一其值為回路相位誤差信號(在回路內同處理器50計算的誤差信號)與預定設置點的取值之和相位增量。初始值是促使本地發生器生成對應某一確定移位載頻的規定本地頻率。該移位頻率對應其所要求鎖定的特定衛星(GPS或GLONASS)的實際規定載頻。初始值用于特定衛星信號的采集，并且它被通過選擇網絡，GPS或GLONASS，且對于GLONASS，通過選擇特定衛星而得以施加。
因此，對于給定信道，用戶通過微處理器80定義施加給振蕩器108的所需初始設定點頻率作為本信道所選衛星的函數。
在連續迭代計算PVT點的過程中，點計算軟件原則上傳遞一估計的多普勒值(來自上一PVT點的計算)，以便，根據圖3所示簡圖，數字振蕩器108的控制信號可被視為下列值之和-用戶(該用戶選擇某一特定GLONASS衛星數或所有GPS衛星)定義的初始值；該值為頻率設定點；-由PVT軟件傳遞的估計的多普勒值；-和閉環伺服控制回路的載波相位誤差信號。
所估計的多普勒值與載波相位誤差之和代表實際多普勒值。代表該值的數字信號被發送到PVT軟件90且被使用，此后，在以載頻L1與編碼頻率之比值進行數字分頻(該比率取決于所選用的GPS或GLONASS信道)之后，作為編碼伺服控制環路的多普勒移位信號。由微處理器80控制的可編程數字分頻器109如圖3所示用于此用途。
振蕩器108由此用所需的移位頻率傳遞信號，且由相位誤差信號伺服控制，以便按照相位和頻率精確鎖定到的來自搜索衛星的信號，該信號已被在對應該移位頻率(但它可能被多普勒移位影響)的載波L1上發送。
此處，伺服控制通過數字計算獲得，并利用振蕩器108所傳遞的相位的正弦和余弦函數。
正弦和余弦函數可由數字表中得到。一PROM正弦存儲器110和一PROM余弦存儲器112為此用途而插入到振蕩器108的輸出和乘法器104和106之間。
乘法器的輸出代表兩相位正交的信號(其頻譜包含代表所接收衛星頻率移位與本地生成頻率之間偏移的低頻成分)。該偏移成分用于生成上述頻率相位誤差信號(該信號意在將偏差減小到零)。
乘法器104和106的輸出信號此后在上述伺服控制回路進行相關處理，以便在所接收信號中檢測對應搜索衛星的偽隨機碼的存在。這些信號(其內在傳輸由其所需基于測量的衛星發送的已知偽隨機碼做的一調制)因此與由偽隨機碼生成器本地生成的一相同偽隨機碼相關。該相關產生用于移動本地碼的起始時刻(該時刻由起始位表示)直到相關信號表明本地碼與所接收碼完全同步的相關信號。相關信號表現為指明此同步的一相關尖峰或一相關零值(取決于相關器的類型)。此后，測量本地碼的起始時刻，以便通過后續計算確定衛星的位置。該起始時刻通過檢查給定時刻偽隨機碼的狀態并檢查驅動碼生成器114的振蕩器的相位而得以確定。微處理器80定義該時刻，并收集被PVT軟件90所使用的信息。
由于碼相關回路嵌于載波相位伺服控制回路，存在于所接收信號中，且由此存在于所接收偽隨機碼的頻率移位中的多普勒效應對相關無影響本地碼通過被伺服控制到實際接收載波頻率上的移位頻率生成，該伺服控制調整了由于多普勒效應而產生的同步誤差。可編程分頻器109通過向由伺服控制回路中數字計算產生的碼誤差信號加入校正值而參與多普勒頻率校正。
本地碼生成器114從數字相位控制振蕩器116接收時鐘信號(以定義碼移位)。該振蕩器在控制輸入端接收帶有多普勒校正的編碼相位誤差信號；因而接收代表本地碼與所接收碼間同步偏差的信號；該信號來自上述兩種碼間的相關；它用于將本地偽隨機碼的頻率和相位減少到存在于搜索衛星所接收信號中的相同碼的頻率和相位。該振蕩器的取樣頻率(通過連續增量計數相位樣本的頻率)最好取為采樣頻率Fc的一部分Fc/k。
振蕩器116在每一時刻提供一可被讀取的相位值(為PVT點的計算)。但來自振蕩器的載波輸出(或“脈動載頻”)被施加到碼生成器114以定義本地碼移位時刻。
偽隨機碼生成器是可編程的，即它可由GPS系統或其它系統所定義序列串生成任何偽隨機序列。為此目的，它包含一接收代表從N個可能序列數中取一指令的碼選擇輸入端。該指令由用戶提供，因而由控制處理器80提供。
通過將本地碼與本地載頻乘以正弦和余弦而得到的結果相乘進行相關運算。正弦和余弦路徑由此包括，類似起始數字化信號，由衛星傳輸的偽隨機調制，相關在此路徑上是可能實現的。
由發生器114生成的本地偽隨機碼可被直接用于與來自衛星所接收信號的相關運算。但是，通常最好利用碼本身和稍微早或稍微晚一點的碼進行更準確的相關運算。一般地，可選用-正點碼P0(與從衛星接收信號中的碼同步)，-早點碼E，稍早片刻(片刻，或“chip”，對應分隔兩基本移位碼的最小參考時間)，-晚點碼L，稍晚片刻。
簡單的過程包括將正點碼P與E和L碼間差值進行相關運算。圖3所示為一在碼生成器114輸出口處的復合電路118，用于由生成器輸出碼生成正點碼P和差值碼E-L。
相關運算在插入到伺服控制回路相位正交(正弦和余弦)路徑的數字乘法器和數字濾波器，即，在乘法器104和106的輸出口進行。正弦路徑和余弦路徑每一路徑利用數字乘法器120、122、124、126，一方面被乘以正點碼P0，另一方面乘以差值碼E-L，使其可能在任一時刻將一數字值(例如13位)乘以一位本地偽隨機碼。
乘法器120至126的輸出經數字濾波器130至136(該濾波器是“積分清零”類型的積分器，其功能為將乘積結果在對應偽隨機序列整個1毫秒寬度進行積分，并在每一序列末周期性地恢復到零)。積分是計數器的積累過程，該計數器增加、減少或不變取決于它從其后乘法器所接收數字信號的符號和幅值。回零由正點序列的起始位控制。這些積分器傳遞低頻信號(1kHz)，例如，在8位每一Ip，Qp，Id，Qp，它們為相關函數的基。這些信號由此代表指明通過正點碼P0和通過差值碼E-L的正弦和余弦路徑的相關指示。它們被傳遞到計算處理器50(該處理器利用它們計算供給振蕩器116的編碼相位誤差信號，由此閉環編碼相位伺服控制回路)。它們還用于計算供給振蕩器108的載波相位誤差信號，由此閉環載波相位伺服控制回路。
應當注意，濾波器130至136的操作部分由軟件驅動，且其操作可根據工作于GPS還是GLONASS模式而被修正，以便考慮小偏差，如碼頻率中的偏差。
載波相位誤差信號在分頻器138中從其后跟隨數字濾波器的Arctan(Qp/Ip)類型計算生成。該載波相位誤差的運算不包括通過差值碼E-L的相關運算。
編碼相位誤差信號在分頻器142中由包含例如乘積之和qd·Ip+Qp·Id的運算生成，其后跟隨甚低頻數字濾波器144。該運算包括通過正點碼的相關和通過差值碼的相關。
編碼相位誤差信號和載波相位誤差信號均包含可被傳送到計算處理器50并可能傳送到微處理器80以便使接收器的位置(PVT)可被計算的信息。例如，它們內在包含一多普勒偏移信息，從其中可提取接收器相對衛星的相對速度。
實際上，用于計算PVT點的軟件將讀取脈沖同時發送給所有信道，以便在該時刻讀取載波的相位狀態、碼的相位狀態和碼值。每一回路伺服控制的這三項信息使可能計算從接收器到每一所觀測衛星之間的距離。
如圖3所示為寄存器146、147、148它們在讀取脈沖時刻分別接收-振蕩器108的相位；代表該時刻載波相位；-該時刻偽隨機碼的相位，例如由碼生成器114的并行輸出的10個有效位定義；-碼的精確相位，在瞬間，由振蕩器116的精確相位定義。
導航數據，由衛星在低頻(50或100Hz)利用DPSK調制，通常在計算處理器50中解碼；該電路檢測由于導航數據的相位變化，其此后與偽隨機序列起始位的傳輸同步。導航數據被發送至軟件90以計算PVT點。所檢測的數據被計算處理器50和電路40進一步考慮，以便與數據相關的移位不影響伺服控制回路。
上述根據本發明描述了接收器的基本結構，由此可利用有限數量的信道接收幾種類型衛星網絡中任一類型。應該注意，關于在載頻L1上進行信號檢測的敘述也可應用于載頻L2。與載頻L1相同的通用數字處理信道可用于GPS和GLONASS頻率L2；載頻L2可被移位至與這些信道操作兼容的頻帶。或者說，同一信道可用于L1和L2，對L1和L2進行交替頻率移位，且對L1和L2上的信號時分復用。
權利要求
1.衛星信號接收器，能接收并處理由屬于帶有單一載波頻率網絡的衛星發送的信號和由屬于帶有多載波頻率的網絡衛星發送的信號，該接收器包括-無線電信號接收鏈(10，12，14，16，18，34，38)，包括用于將所接收的載波頻率移位至根據所接收載波頻率而不同的移位頻率的電路，和至少一模擬/數字轉換器(38)，用于將上述移位信號轉換為帶有對應幾個同時接收衛星的幾個移位載頻的數字信號，并在不同載波上發送；-至少一數字信號處理信道，它接收帶有幾個移位載頻的數字信號，每一信道包括偽隨機碼相位和移位載頻相位伺服控制回路，該伺服控制回路包括一方面至少一個由頻率設定點信號和相位誤差信號控制的數字相位控制振蕩器(108)，另一方面包括一可編程本地偽隨機碼生成器(114)；-碼選擇裝置，使用戶向碼生成器施加用于從幾種可能的碼中選擇一個碼的信號，各種碼對應二網絡的不同衛星；-頻率選擇裝置，使用戶向振蕩器施加幾種可能的頻率設定點信號之一，各種設定點信號對應第二網絡的不同衛星和第一網絡的所有衛星；-接收器最后包括用于從伺服控制回路的數字值計算位置的裝置(50，80)。
2.根據權利要求1的接收器，其特征在于模擬/數字轉換器(38)以比存在于其可從頻率移位電路接收的信號中的最高移位頻率二倍還高的采樣頻率Fc工作。
3.根據權利要求2的接收器，其特征在于包含一用于接收帶有至少其它一移位頻率的信號的第二模擬/數字轉換器(34)，和一用于將一個或另一轉換器的輸出發送至信號處理信道的多路器(102)。
4.根據權利要求1到3的接收器，其特征在于各種頻率設置點信號作用于振蕩器以便后者提供等于對應兩種網絡衛星的各種標稱載頻移位的移位頻率的各自的標稱頻率。
5.根據權利要求1的接收器，其特征在于數字相位控制振蕩器(108)以高于最高移位頻率二倍的計算頻率工作。
6.根據權利要求1到5的接收器，其特征在于伺服控制回路包括用于計算在數字相位振蕩器輸出端定義的周期相位的正弦和余弦的裝置(110)，和用于將由接收鏈輸出的數字化信號所產生的正弦和余弦相乘，以便生成兩個相位正交信號的裝置(104，106)。
7.根據權利要求6的接收器，其特征在于偽隨機碼生成器能夠提供一正點本地碼、早點碼和晚點碼，且在于裝置(120至126)被提供用于將相位正交信號與正點本地碼和早點和晚點本地偽隨機碼之差相乘。
8.根據權利要求1到7的接收器，其特征在于偽隨機碼生成器由包括數字相位控制振蕩器(116)的時鐘控制，該振蕩器接收編碼相位誤差信號作為數字輸入信號，此誤差信號指明碼生成器生成的本地生成碼與存在于自衛星所接收的信號中的相同碼間的同步偏差。
9.根據權利要求1到8的接收器，其特征在于頻率移位電路包括帶有兩個獨立路徑的最終級，一路徑接收來自具有單一頻率網絡的信號，另一路徑接收來自具有多頻率網絡的信號，第二路徑包括一將各種載頻移位到幾個不同移位載頻的公共振蕩器(OL3)。
10.一種用于在接收器中接收衛星信號且由所接收信號確定接收器位置的方法，衛星屬于帶有單一載頻的第一網絡或者屬于帶有多個載頻的第二網絡，此方法的特征在于包含下列操作-在天線上從多個衛星接收信號；-將各種所接收信號的載頻移位，由此生成根據不同接收載頻而不同的移位載波頻率，-將幾個同時接收的載頻施加到至少一個公共模擬/數字轉換器將相應復合信號轉換為數字信號；-將來自轉換器的數字信號施加到至少一個為所有從轉換器接收的移位載頻所共有的信號處理信道；-從對應不同衛星的多個可能的設置點選擇對應特定移位頻率的設置點頻率，并將相應的設置點信號施加到數字相位控制振蕩器以便使振蕩器產生設置點頻率，振蕩器此后接收由相位伺服控制回路產生的相位誤差信號。-選擇偽隨機碼并將相應設置點信號施加到一可編程偽隨機本地碼生成器，以便使該發生器從幾種可能碼中生成所需碼，碼生成器處于伺服控制回路，且提供相關裝置以便偏移該碼使其與自轉換器接收的調制信號中的相同碼同步；-從伺服控制回路所提供的數字值計算接收器位置。
全文摘要
本發明涉及GPS和GLONASS衛星定位接收器。為便于基于GPS衛星和GLONASS衛星進行信號和位置計算,本發明提出了一新的接收器結構。該結構包括一通過天線10的無線電接收鏈、頻率轉換電路18、對GLONASS路徑以高速操作的模擬/數字轉換器38和利用幾個能夠接收GPS和GLONASS信號的通用信道的信號處理電路。電路40采用可編程偽隨機碼生成器和利用本地振蕩器生成本地移位載頻的相位伺服控制回路;該振蕩器被控制以便能施加一用于衛星信號采集的起始頻率。由此構造的接收器可避免依靠一個或另一衛星網絡,在一網絡出現故障的情況下可以使用另一網絡。
文檔編號H04B7/15GK1199469SQ9619754
公開日1998年11月18日 申請日期1996年10月15日 優先權日1995年10月17日
發明者阿蘭·拉納德, 帕特里斯·吉亞爾 申請人:塞克斯丹航空電子公司