专利名称：于卫星导航接收器中抑制多重路径误差的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明关于一种卫星无线导航，特别是关于一种在全球导航卫星系统 (GlobalNavigating Satellite System, GNSS)的导航接收器中求得多重路径情况下的准距离(pseudo-range)与准速度(pseudo-velocity)的方法与装置。
背景技术：
目前，世界上已经存在数种全球导航卫星系统。已上线运作的系统有美国的全球定位系统(GlcAal Positioning System, GPS)，俄罗斯的全球导航卫星系统(Global Navigating Satellite System，GL0NASS)，欧洲太空总署建构中的伽利略(Galileo)系统， 以及中国的北斗系统。本发明可应用于上述或其他全球导航卫星系统的导航接收器。在都市高楼形成的峡谷中，会导致导航接收器频繁地失去与卫星间的视线 (line-of-sight)路径，接收信号的功率也因此而变弱或消失。在此类情况下，传统中利用延迟锁定回路与频率锁定回路的闭回路(close-loop)自动信号追踪常会受到干扰。以开回路(open-loop)追踪卫星信号的方法，如美国专利US6633255「Open-Loop Tracking」，则可描述如下针对每一卫星，根据导航解计算延迟预测与多普勒频率测量； 形成一二维(两维度分别为延迟与多普勒频率)功率网格(power grid)，使其中心由预测值定义；针对前述预测求得修正值，并以修正值与预测值的加总作为延迟与多普勒频率的测量值。此种追踪技术可确保低讯杂比下的运作。当导航解存在时，在开回路追踪技术中失去部份卫星的信号并不会造成重大影响；也就是说，测量仍需建立于至少三到四个卫星。来自直接路径与反射路径的信号会导致延迟与多普勒频率的误差。图1示意多重路径信号传播影响测量的例子如图Ia所示，针对一个静止的接收器，或是一个沿着与反射面平行方向移动的接收器，只会发生延迟测量误差，因为由直接路径与反射路径至同一卫星的距离变化率是相同的。如图Ib所示，若接收器沿指向反射面的方向移动，延迟测量的误差会被加总至多普勒频率测量的误差，因为由直接路径与反射路径至同一卫星的距离变化率会是相异的。已有一些方法用以在反射路径存在的情况下降低准距离测量的误差，如运用窄相关(Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GPSreceiver. A. J. van Dierendonck,Pat Fenton, Tom Ford. Journal of TheInstitute of Navigation, Vol. 39, No. 3，1992.)、根据准乱数序列(pseudo-random sequence, PRN)的信号副本计算自相关函数(autocorrelationfunction, ACF)的选通方法(美国专利US7436356，申请日 2006年3月M日)，基于自相关函数的前缘计算跨越前缘与后缘片段并对自相关函数取样加以权重的方法(美国专利US7436356，申请日2006年3月M日)。这些方法可实现于低成本、大量生产的接收器中以降低准距离的误差，但精确度却不够高。此外，也有些减轻多重路径的方法是针对多重路径的信号进行最佳化运算，以运用最大概度(maximum likelihood)测量直接与反射路径的信号参数。估计最佳值并将反射信号由接收器排除即可实现反射信号的抑制。这些方法应用在高成本的大地接收器，需要昂贵的硬体才能实现。以适应性天线阵列抑制反射路径信号的技术需要多个接收天线，也需要对这些天线接收的信号进行额外的处理，增加消费设备的复杂程度。与本发明相近的解决方案见于美国专利US6031881，公开于2000年2月2日。此技术的缺点包括必须储存输入信号的取样值，必须以高频执行量化(针对GPS，其取样率需达20MHz)，也必须对取样值进行即时(real-time)处理。因此，必须具备高容量存储器与高速信号处理才能实现此种技术。此习知技术的另一缺点是受限的累积时间。累积时间受限的原因是接收信号会被发送信号中导航讯息的未知数据位元所调变(在GPS与GL0NASS中是每间隔20ms发生)， 使接收的载波信号功率C与杂讯功率NO间的比率会有下限的限制；在IHz频带中，此比率 C/N0 需大于 30dB Hz。

发明内容
本发明的目的之一是消除多重路径对延迟与多普勒频率测量的影响，并提出一种能有效应用于弱信号且在实现时不需庞大运算能量的方法。重要技术特征有提供位元同步下形成的累积功率网格，建立概度函数排除干扰因素以抑制多重路径误差。本发明解决方案如下。本发明可为一种于卫星导航接收器(简称接收器)中抑制多重路径误差的方法， 卫星导航接收器包含搜寻多颗导航卫星的信号、由各卫星接收并处理复变信号(complex signal)、以一追随开回路追踪信号并基于直接信号与反射信号的延迟与多普勒频率测量值决定该卫星导航接收器的坐标、速度与准确时间的步骤，依据下列描述根据多个导航参数计算延迟与多普勒频率的预测值以根据延迟与多普勒频率定向一二维的累积功率网格，此累积功率网格系依据对复变信号的接收与处理所形成，而该些导航参数包括接收器的坐标、速度、准确时间，以及根据测量到的时间与接收到的卫星星历所求得的卫星运动信息。在形成累积功率网格的各元素时，本发明会在一同调累积时段中进行复变信号加总，此一同调累积时段同步于一给定卫星的数据位元，同调累积时段长短符合一位元长度。基于对累积功率网格的处理，包括对累积功率网格的中心化，即可为延迟与多普勒频率的预测值计算修正值，并计算预测值与修正值的加总以作为延迟与多普勒频率的测量值。然后，便可对测量值外插一预设时间并计算出准距离与准速度的测量值，并根据对所有卫星所求得的测量值决定接收器的坐标与速度。在计算延迟与多普勒频率的修正值时，包含利用中心化的累积功率网格计算单一路径的修正值；判断多重路径是否发生，若为肯定的，则利用多个权重改进该修正值。利用该些权重改进修正值时，系基于一中心化的累积功率向量形成一概度函数，并根据概度函数的全域极大值改进修正值。在第一实施例中，在基于中心化的累积功率向量形成概度函数时，包含下列子步骤利用多个权重向量而为每一累积功率向量计算多个加权总和，使这些权重向量对应直接信号与反射信号的延迟预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵；并根据前述两子步骤的结果计算出二次形式的概度函数。
在第二实施例中，当基于中心化的累积功率向量形成概度函数时，包含下列子步骤针对每一累积功率向量，利用多个取决于直接信号与反射信号延迟的标准正交向量计算多个加权总和，并计算这多个加权总和的平方总和以求出概度函数。为降低多普勒频率测量误差所形成的概度函数可同理类推。在第一例中，形成概度函数包含下列子步骤利用多个权重向量而为每一累积功率向量计算多个加权总和，使这些权重向量对应直接信号与反射信号的多普勒频率预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵；并根据前述两子步骤的结果计算出二次形式的概度函数。在第二例中，形成概度函数包含下列子步骤针对每一累积功率向量，利用多个取决于直接信号与反射信号多普勒频率的标准正交向量计算多个加权总和，并计算这多个加权总和的平方总和以求出概度函数。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合附图，作详细说明如下。


图1示意的是多重路径传播中的各种干扰，图Ia中只有延迟干扰，图Ib中则有延迟干扰与多普勒频率漂移。图2绘出的方块图示意的是以一开回路系统进行追踪的卫星导航接收器。图3示意的是在累积功率网格中形成一解析单位(bin)的流程。图4举例说明在一多重路径信号接收下所形成的二维累积功率网格。图5示意中心化前后的累积功率网格，对应多普勒频率下最大信号功率。图6示意累积功率网格的中心化流程。图7示意测量值计算的流程以消除多重路径影响。图8示意修正值计算流程的一种实施例，其是以信号向量Sij = Q-l72Pij及反矩阵 (SijlSij)-1消除多重路径的影响。图9示意修正值计算流程的一种实施例，其是利用标准正交向量V"削减多重路径的影响。图10举例说明一多重路径信号的概度函数y( τ 0, τ J。图11示意概度函数y( τ 0, τ 的投影以及直接与反射路径的延迟估计。图12示意的是本发明针对直接路径信号延迟计算所得的估计误差。图13示意的是依据窄相关而对直接路径信号延迟计算所得的估计误差。
图14示意的是依据选通相关而对直接路径信号延迟计算所得的估计误差。图15比较本发明与窄相关技术的准距离估计误差。图16示意窄相关技术下的坐标测量误差。图17示意本发明的坐标测量误差。主要元件符号说明1模拟部份2 数字VLSI电路3程式化处理器
2. 1 天线2. 2-2. 9、3. 1-3. 5、6. 1-6. 2、7. 1-7. 6、8. 1-8. 7、9. 1-9. 6 步骤
具体实施例方式以下揭露本发明的一种实施例。图2的方块图示意一种以开回路系统进行追踪的全球导航卫星系统接收器(亦称为导航接收器或接收器)。在此导航接收器中，信号处理分成模拟(单元1)与数字(单元2与幻两部份。 在数字信号处理中，有一部分需要高速计算，但不需处理复杂演算法，可由一数字极大尺度 (digital very large scale)集成电路(下称数字VLSI电路)2来进行。另一部份需动用复杂演算法但只需低速计算，则可由一程式化处理器3来执行。射频无线电电磁波信号由一天线(2. 1)接收、转换为电子信号并放大。然后，步骤2. 2进行模拟射频转换，也就是将射频转换为中频，并在时间轴上进行模拟信号的离散取样，亦对信号电平进行量化。步骤2. 3用一振荡器取得一参考频率，用以进行射频转换与离散取样。然后，在步骤2. 4，数字信号会以频率降转(frequencydownconversion)的方式进行数字转移。为达此目的，数字信号被转移至一预设频带频谱界定下最接近频率0的位置，并依据奈奎斯频率(Nyquist frequency)降转。此信号XUi)是一数字复变信号，其数字内容量有限，对存储器资源的角度来说十分经济。此信号中叠加性的混合了从各卫星接收到的信号与杂讯。接下来，此复变信号X(、)会被用于步骤2. 5，以形成并中心化一累积功率网格Z(亦称为网格或功率网格)。此外，延迟与多普勒频率预测值P= (Tp，fp)T(P为预测值向量，τ ρ为延迟的预测值，fp则是多普勒频率的预测值)、网格中各元素相对于预测值的延迟偏移量{Δ τη}与多普勒频率偏移量{Δ ^}都会被用于网格的形成。然后，在步骤2. 6中，基于中心化的累积功率网格Ζ，便可计算延迟与多普勒频率 (相对于预测值)的修正值ΔΦ = (Δ τρ，Afp)T，其中，Δ τ ρ为延迟的修正值，Δ fp则为多普勒频率的修正值。在步骤2. 7中，前述求出的修正值会和延迟与多普勒频率的预测值加总，以求出延迟与多普勒频率的测量值Φ =Ρ+ΔΦ ；其中，Φ = (bf)T即是由延迟τ与多普勒频率f的测量值所形成的测量值向量。将上述求出的测量值Φ与卫星轨迹及速度(卫星星历)综合在一起，便能在步骤 2.8中决定接收器的位置、速度与时间(譬如说是根据延迟与多普勒频率测量值而以标准的方法计算出准距离与准速度)。根据求出的坐标、速度与时间，以及卫星轨迹及速度的数据，就可在步骤2. 9中计算延迟与多普勒频率的预测值P。步骤2. 3与2. 4可于模拟部份1中进行，步骤2. 4与2. 5在数字VLSI电路2中进行，步骤2. 6至2. 9则由程式化处理器3进行。当IHz频带中的载波功率与杂讯功率C/X > IOdB Hz (C为载波功率，Ntl为杂讯功率)，本发明开回路追踪技术可确保弱信号下的安全运作。在累积功率网格中为足标η与k形成一解析单位(bin)的流程图示于图3 (η代表延迟的解析单位足标，k代表多普勒频率的解析单位足标)。在步骤3. 1中，一字码混合器(code mixer)将复变信号取样值乘上一字码的实数副本值
权利要求
1.一种于卫星导航接收器中抑制多重路径误差的方法，包含搜寻多个导航卫星的信号、由各该卫星接收并处理复变信号、以一追随开回路追踪信号并基于直接信号与反射信号的延迟与多普勒频率测量值决定该卫星导航接收器的一坐标、一速度与一准确时间的步骤，该方法包含根据多个导航参数计算该延迟与该多普勒频率的预测值以根据该延迟与该多普勒频率定向一二维的累积功率网格，该累积功率网格是依据该接收与处理的该复变信号所形成，而该些导航参数包括该坐标、该速度、该准确时间，以及根据测量到的时间与接收到的卫星星历求得的卫星运动信息；其中，在形成该累积功率网格的各元素时，在一同调累积时段中进行复变信号加总，该同调累积时段同步于一给定卫星的数据位元，该同调累积时段长短符合一位元长度；以及基于该累积功率网格的处理，包括该累积功率网格的中心化，为该延迟与该多普勒频率的该预测值计算修正值，并计算该预测值与该修正值的加总以作为该延迟与该多普勒频率的测量值，再对该测量值外插一预设时间并计算准距离与准速度的测量值，并根据对所有卫星所求得的该测量值决定该卫星导航接收器的该坐标与该速度； 其中，计算该延迟与该多普勒频率的该修正值时，包含 利用该中心化的该累积功率网格计算单一路径的修正值； 决定多重路径是否发生；以及若为肯定的，则利用多个权重改进该修正值；其中，当利用该些权重改进该修正值时，基于一中心化的累积功率向量形成一概度函数，并根据该概度函数的全域极大值改进该修正值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数的步骤包含下列子步骤利用多个权重向量而为每一该累积功率向量计算多个加权总和，该些权重向量对应该直接信号与该反射信号的该延迟的该预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵；以及根据前述两子步骤的结果计算该概度函数，使该概度函数呈一二次形式。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数的步骤包含下列子步骤针对每一累积功率向量，利用多个取决于该直接信号与该反射信号的该延迟的标准正交向量计算多个加权总和；以及计算该多个加权总和的平方总和以求出该概度函数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数时的步骤包含下列子步骤利用多个权重向量而为每一该累积功率向量计算多个加权总和，该些权重向量对应该直接信号与该反射信号的该多普勒频率的该预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵；以及根据前述两子步骤的结果计算该概度函数，使该概度函数呈一二次形式。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数的步骤包含下列子步骤针对每一该累积功率向量，利用多个取决于该直接信号与该反射信号的该多普勒频率的标准正交向量计算多个加权总和；以及计算该多个加权总和的平方总和以求出该概度函数。
6.一种于卫星导航接收器中抑制多重路径误差的装置，包含 搜寻多导航卫星的信号的手段；由每一该卫星接收并处理复变信号的手段；以一追随开回路追踪信号并基于直接信号与反射信号的延迟与多普勒频率测量值决定该卫星导航接收器的一坐标、一速度与一准确时间的手段；根据多个导航参数计算该延迟与该多普勒频率的预测值的手段，以根据该延迟与该多普勒频率定向一二维的累积功率网格，该累积功率网格是依据该接收与处理的该复变信号所形成，而该些导航参数包括该坐标、该速度、该准确时间，以及根据测量到的时间与接收到的卫星星历求得的卫星运动信息；其中，在形成该累积功率网格的各元素时，在一同调累积时段中进行复变信号加总，该同调累积时段同步于一给定卫星的数据位元，该同调累积时段长短符合一位元长度；以及基于该累积功率网格的处理，包括该累积功率网格的中心化，为该延迟与该多普勒频率的该预测值计算修正值，并计算该预测值与该修正值的加总以作为该延迟与该多普勒频率的测量值，再对该测量值外插一预设时间并计算准距离与准速度的测量值，并根据对所有卫星所求得的该测量值决定该卫星导航接收器的该坐标与该速度的手段； 其中，计算该延迟与该多普勒频率的该修正值的该手段包含 利用该中心化的该累积功率网格计算单一路经的修正值的手段； 决定多重路径是否发生的手段；以及若为肯定的，则利用多个权重改进该修正值的手段；其中，当利用该权重改进该修正值时，系基于一中心化的累积功率向量形成一概度函数，并根据该概度函数的全域极大值改进该修正值。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，利用该些权重改进该修正值的手段包含下列装置以基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数利用多个权重向量而为每一该累积功率向量计算多个加权总和的手段，该些权重向量对应该直接信号与该反射信号的该延迟的该预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵的手段；以及利用该些加权总和与该反矩阵计算该概度函数的手段，使该概度函数呈一二次形式。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，利用该些权重改进该修正值的手段包含下列装置以基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数针对每一累积功率向量，利用多个取决于该直接信号与该反射信号的该延迟的标准正交向量计算多个加权总和的手段；以及计算该多个加权总和的平方总和以求出该概度函数的手段。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，利用该些权重改进该修正值的手段包含下列装置以基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数利用多个权重向量而为每一该累积功率向量计算多个加权总和的手段，该些权重向量对应该直接信号与该反射信号的该多普勒频率的该预测值；针对该些权重向量的两两纯量内积所形成的矩阵求出反矩阵的手段；以及利用该些加权总和与该反矩阵计算该概度函数的手段，使该概度函数呈一二次形式。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，利用该些权重改进该修正值的手段包含下列装置以基于该中心化的该累积功率向量形成该概度函数针对每一累积功率向量，利用多个取决于该直接信号与该反射信号的该多普勒频率的标准正交向量计算多个加权总和的手段；以及计算该多个加权总和的平方总和以求出该概度函数的手段。
全文摘要
本发明公开了于卫星导航接收器中抑制多重路径误差的方法与装置，包含搜寻导航卫星信号、由卫星接收并处理复变信号、以一追随开回路追踪信号并基于直接与反射信号的延迟与多普勒频率测量值决定接收器坐标、速度与准确时间等步骤，而该方法包含根据导航参数形成一二维的累积功率网格、利用中心化的累积功率网格计算单一路径信号修正值，并决定多重路径是否发生，若是则利用权重改进修正值。利用权重改进修正值时，基于一中心化的累积功率向量形成一概度函数，并根据该概度函数的全域极大值改进修正值。
文档编号G01S19/22GK102213766SQ201010249799
公开日2011年10月12日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年4月1日
发明者亚历山卓·费朵托夫, 尼克莱·米凯洛夫, 米凯尔·科罗斯多夫, 贾比杰 申请人:开曼晨星半导体公司, 晨星半导体股份有限公司, 晨星法国有限公司, 晨星软件研发(深圳)有限公司