專利名稱：用于恢復(fù)和跟蹤p編碼信號(hào)調(diào)制的全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及全球定位系統(tǒng)(GPS)，特別涉及改善GPS接收機(jī)的信號(hào)處理速度和精度的技術(shù)。本發(fā)明與屬于R.G.Keegan的題為“輔助P-編碼全球定位系統(tǒng)接收機(jī)”的美國(guó)專利No.4,972,431在主題上有一定的聯(lián)系。該專利提供的許多背景材料也與本發(fā)明相關(guān)，為方便起見對(duì)它們也同樣作了說明。因此美國(guó)專利No.4,972,431作為參考文獻(xiàn)包含在說明書中。
背景技術(shù)：
在GPS的術(shù)語中，本發(fā)明涉及獲取受抑制載波信號(hào)(稱之為L(zhǎng)1和L2)的P-編碼和相位測(cè)量的技術(shù)，不管調(diào)制L1和L2的P編碼信號(hào)是否經(jīng)過“反欺騙”加密。如上所述，“編碼”測(cè)量指的是測(cè)量衛(wèi)星與接收機(jī)之間的表觀距離或者“偽范圍”，它根據(jù)用來調(diào)制L1和L2的編碼或信號(hào)事件的時(shí)間來確定。
獲得訪問L1或L2載波信號(hào)或者同時(shí)訪問L1和L2載波信號(hào)有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。與單獨(dú)利用編碼測(cè)量相比，載波相位測(cè)量提高了相對(duì)或者差分定位尋找精度。雖然則單單利用L1載波信號(hào)就可以完成，但是訪問L2大大加快了載波周期模糊性的分辨率并可以對(duì)電離層折射誤差進(jìn)行相位校正。
GPS(也稱NAVSTAR)是一種從多個(gè)軌道衛(wèi)星接收到的信號(hào)中確定地球上或者地球附近用戶位置的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)作完全部署時(shí)，衛(wèi)星安排在多個(gè)軌道平面上，從而在地球上或者地球附近的任意位置，只要視野不受阻礙，將接收到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)。
空間飛船的軌道由固定的地面站精確確定并轉(zhuǎn)播給空間飛船。當(dāng)GPS用于導(dǎo)航應(yīng)用時(shí)，可以從空間飛船的四個(gè)以上點(diǎn)的電磁波傳播時(shí)間計(jì)算出地球上或地球附近任意點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔。通常情況下，由于有四個(gè)未知的量，所以為了完全確定一個(gè)位置，地面站至少需要接收四個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。其中的三個(gè)未知量是三維位置坐標(biāo)，它們習(xí)慣上用經(jīng)度、緯度和海拔表示，而第四個(gè)未知量是衛(wèi)星上定時(shí)時(shí)鐘與接收機(jī)上定時(shí)時(shí)鐘之間的時(shí)間差或偏移。
GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)特性可以從文獻(xiàn)中知悉，這里將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。簡(jiǎn)而言之，每顆衛(wèi)星以不同的載波頻率發(fā)射兩種L帶內(nèi)的擴(kuò)展譜信號(hào)，它們稱為L(zhǎng)1和L2。為了消除因電離層折射發(fā)射信號(hào)而引起的誤差就需要二種信號(hào)。衛(wèi)星信號(hào)由兩種偽隨機(jī)碼調(diào)制，一種稱為C/A(粗糙/細(xì)致)編碼，而另一種稱為P(精確)編碼，也通過變化較慢的定義衛(wèi)星軌道和其他系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)信號(hào)來調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)。偽隨機(jī)碼序列是一系列一定意義上的偽隨機(jī)數(shù)，每個(gè)偽隨機(jī)數(shù)與后面的偽隨機(jī)數(shù)沒有確定的關(guān)系，但是由于序列是確定性的并且對(duì)自身的循環(huán)進(jìn)行重復(fù)，所以不是真正的隨機(jī)數(shù)。
當(dāng)二進(jìn)制偽隨機(jī)碼用來雙相位調(diào)制載波信號(hào)的相位時(shí)，得到的結(jié)果是一種譜密度遵從[(sinx)/x]2分布的信號(hào)，這里的x與相對(duì)載波頻率的頻率偏移呈正比。這里“擴(kuò)展譜”信號(hào)與窄帶信號(hào)相比，其優(yōu)點(diǎn)是抵御阻塞或干擾的能力更強(qiáng)。偽隨機(jī)碼調(diào)制的信號(hào)具有有用的特性，即當(dāng)信號(hào)與同一偽隨機(jī)碼的副本正確相關(guān)時(shí)，大多數(shù)擴(kuò)展譜能量映射至頻譜的窄峰上，但是只有在兩個(gè)相關(guān)信號(hào)在時(shí)間上同步正確時(shí)才這樣。通過使接收到的信號(hào)與多個(gè)本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼序列相關(guān)起來，可以利用這種性質(zhì)來識(shí)別和分離多顆衛(wèi)星的信號(hào)。每顆GPS衛(wèi)星采用唯一并且公知的P編碼和C/A編碼序列。因此，通過使接收到的信號(hào)與對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的本地產(chǎn)生的編碼序列相關(guān)可以識(shí)別特定的衛(wèi)星。一旦識(shí)別和完成對(duì)接收到的信號(hào)的譯碼，接收機(jī)就可以測(cè)量衛(wèi)星的表觀發(fā)射時(shí)間，由此可以計(jì)算出表觀范圍或者偽范圍。每顆衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)定義了某個(gè)信號(hào)期間的衛(wèi)星位置和時(shí)刻，它們的接收時(shí)間可以由接收機(jī)測(cè)量。發(fā)射時(shí)間都借助稱為GPS系統(tǒng)時(shí)間的公共時(shí)間基準(zhǔn)來測(cè)量。每個(gè)接收機(jī)采用自己的本地時(shí)間參考來記錄衛(wèi)星信號(hào)的接收時(shí)間。因此，每個(gè)接收機(jī)都知曉GPS系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)測(cè)量的發(fā)射時(shí)間和本地時(shí)間內(nèi)測(cè)量的接收時(shí)間。如果至少有一個(gè)以上的衛(wèi)星信號(hào)不是位置未知量，則可以確定出本地時(shí)間與衛(wèi)星時(shí)間之間的時(shí)間差分以及位置未知量。例如為了確定三個(gè)位置未知量和時(shí)間差分，需要四顆衛(wèi)星的信號(hào)。地球上或地球附近接收機(jī)的位置可以從偽范圍數(shù)據(jù)中高度準(zhǔn)確地計(jì)算出來，其精度取決于軌道數(shù)據(jù)的精度。
對(duì)于大多數(shù)民用導(dǎo)航應(yīng)用(例如海上導(dǎo)航)，C/A編碼就足夠了并且電離層折射引起的誤差可以忽略。這種接收機(jī)在分析C/A編碼信號(hào)(在L1載波信號(hào)上調(diào)制)的基礎(chǔ)上完成計(jì)算工作。但是對(duì)于精度要求更高的差分或勘查應(yīng)用來說，由于兩種載波頻率的信號(hào)可以補(bǔ)償電離層折射的誤差(眾所周知它們由載波頻率決定)，所以利用L1和L2載波上調(diào)制的P編碼和L1載波上調(diào)制的C/A編碼可以更精確地確定相對(duì)位置。
勘查應(yīng)用與純粹的GPS導(dǎo)航應(yīng)用在兩個(gè)主要方面是不同的。首先勘查工作與大多數(shù)導(dǎo)航應(yīng)用相比，精度要求更高。幸運(yùn)的是由于兩種應(yīng)用的第二點(diǎn)區(qū)別，即大多數(shù)的勘查工作只涉及點(diǎn)與點(diǎn)之間相對(duì)位置的測(cè)量而不是絕對(duì)位置的測(cè)量，所以可以達(dá)到較高的精度。在大多數(shù)勘查工作中，基準(zhǔn)或參考位置是高度精確的，其他點(diǎn)的相對(duì)位置借助基準(zhǔn)確定。基準(zhǔn)與另一點(diǎn)之間的直線有時(shí)稱為基線。
通過恢復(fù)基線兩端的兩個(gè)接收機(jī)接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)L1和L2中的至少一個(gè)并測(cè)量?jī)蓚€(gè)位置上同步時(shí)間點(diǎn)的載波相位，可以最佳方式獲得GPS勘查應(yīng)用所要求的高精度。L1載波信號(hào)的波長(zhǎng)約為19厘米。如果相位的精度可以確定在10度之內(nèi)，則距離測(cè)量的精度可以優(yōu)于5毫米。
根據(jù)載波相位檢測(cè)測(cè)量距離的一個(gè)困難是難以分辨載波信號(hào)相位。一旦接收機(jī)鎖定在輸入的載波信號(hào)上后，載波的每個(gè)相繼周期都是等同的，接收機(jī)無法確定在某一時(shí)刻接收的是哪一個(gè)周期?？辈閮x器分辨載波周期混同的實(shí)用方法是將儀器的位置控制在載波周期的精度內(nèi)，即±9.5厘米。將位置確定到這種精度有兩種方法，即采用足夠多的偽范圍測(cè)量或者采用與端點(diǎn)之間幾何學(xué)綜合的多普勒測(cè)量。第一種方法借助大量的偽范圍(或編碼)測(cè)量來平均每次測(cè)量噪聲。由于每個(gè)P編碼時(shí)隙只有30米長(zhǎng)而每個(gè)樣本的熱噪聲只引入幾米的誤差(忽略信號(hào)多重路徑效應(yīng))，所以P編碼測(cè)量是可行的。但是對(duì)于C/A編碼測(cè)量，由于時(shí)隙長(zhǎng)度為300米而噪聲引入的誤差同樣也較大(多重路徑效應(yīng)也很明顯)，所以該種方法的可行性要小一些。第二種基于載波相位測(cè)量的位置確定方法與其他系統(tǒng)(例如Loran-C和Transit)中所用的雙曲線導(dǎo)航測(cè)量相似。該方法生成幾條由同一衛(wèi)星在軌道上運(yùn)行時(shí)兩個(gè)位置之間的范圍差定義的雙曲線(每顆衛(wèi)星一條)。范圍差由接收到的兩個(gè)端點(diǎn)之間的信號(hào)的綜合載波相位(綜合多普勒)測(cè)量確定，而端點(diǎn)由兩顆衛(wèi)星的位置限定。測(cè)量精度主要由端點(diǎn)的間距(測(cè)量的幾何學(xué))決定，而每次測(cè)量所需的精度主要由衛(wèi)星之間的相對(duì)幾何學(xué)決定。在任何情況中，利用以上其中一種技術(shù)解決了接收到的載波信號(hào)的相位模糊性，即可以確定接收到的是哪一個(gè)周期，隨后單個(gè)周期內(nèi)的相位測(cè)量可以達(dá)到很高的精度。
這種方法的困難在于需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間積累足夠的測(cè)量樣本來消除載波周期的模糊性。更快的技術(shù)采用差頻L1-L2來降低測(cè)量精度要求以分辨載波周期模糊性。差頻或拍頻L1-L2約為350MHz而波長(zhǎng)約為86厘米。因此差頻的一個(gè)周期大約有4.5個(gè)L1載波周期。實(shí)際上為了分辨載波周期模糊性，每個(gè)接收機(jī)只需要累積足夠多的樣本將位置確定在86厘米內(nèi)，而不是19厘米內(nèi)。對(duì)于勘查應(yīng)用來說，這就是為什么訪問L2 GPS信號(hào)是極其重要的兩個(gè)原因之一。若僅訪問L1，為了在后處理期間分辨載波周期模糊性，每個(gè)接收機(jī)必須積累大量的樣本。
訪問L2的重要性的其他原因是補(bǔ)償GPS信號(hào)的電離層效應(yīng)。由于電離層對(duì)不同的頻率折射不同，所以通過觀察兩個(gè)信號(hào)之間的相位變化可以高精度地確定電離層折射對(duì)GPS信號(hào)的的影響。當(dāng)發(fā)射時(shí)L1和L2信號(hào)是相干的(即來自同一振蕩器)。接收到的兩個(gè)載波的相對(duì)相位提供了電離層折射效應(yīng)的量度，因此可以相應(yīng)地對(duì)L1的相位進(jìn)行補(bǔ)償。由于到達(dá)兩個(gè)接收機(jī)的發(fā)射路徑基本上相同，所以當(dāng)測(cè)量短基線時(shí)，電離層補(bǔ)償?shù)臄?shù)值很小。但是對(duì)于較長(zhǎng)的基線測(cè)量，接收的信號(hào)途徑相差較大的電離層路徑，并且需要精確結(jié)果來補(bǔ)償。
為了確保假發(fā)射機(jī)無法產(chǎn)生p編碼以試圖“欺騙”系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理GPS系統(tǒng)的美國(guó)政府采取了“反欺騙”措施。通過至少在系統(tǒng)運(yùn)行的部分時(shí)間內(nèi)對(duì)P編碼比特以一定方式施行互補(bǔ)操作來加密P編碼。政府可以根據(jù)需要關(guān)閉或開啟加密。對(duì)于隨時(shí)能使用的系統(tǒng)，接收的加密P編碼信號(hào)必須與本地產(chǎn)生的加密P編碼序列相關(guān)。如果不知道加密過程或者無法存取密鑰，則采用現(xiàn)行的接收機(jī)技術(shù)來測(cè)量加密p編碼的偽范圍是不可能的。
如前面所述，通過使每個(gè)輸入的信號(hào)與本地產(chǎn)生的編碼(P編碼或C/A編碼)副本相關(guān)來恢復(fù)GPS信號(hào)。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是如同P編碼或者C/A編碼之類的偽隨機(jī)編碼序列時(shí)，GPS信號(hào)中的載波完全受到抑制。即接收的L1或L2信號(hào)不包含L1或L2的頻率成份。然而對(duì)于勘查應(yīng)用，重要的是能夠重建L1和L2載波并測(cè)量它們的相位。只要P編碼沒有加密，通過使接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼副本(或者L1的C/A編碼)相關(guān)，很容易恢復(fù)L1或12載波。本地產(chǎn)生的編碼經(jīng)過時(shí)序上的調(diào)整以提供與輸入信號(hào)的優(yōu)化相關(guān)。相關(guān)輸出是中心位于載波頻率處的單個(gè)窄帶峰。即載波的恢復(fù)是用來識(shí)別和分離輸入GPS信號(hào)的相關(guān)過程的自然結(jié)果。而且相關(guān)恢復(fù)的載波提供了最佳的信噪比。
雖然當(dāng)P編碼加密時(shí)無法由P編碼相關(guān)過程恢復(fù)L1或L2載波，但是可以通過平方輸入的信號(hào)恢復(fù)載波相位的第二諧波；即信號(hào)自身相乘。眾所周知，這具有將所有的雙相位調(diào)制從信號(hào)中去除并在兩倍于抑制載波的頻率處產(chǎn)生單頻率輸出信號(hào)的效果。采用這種技術(shù)的系統(tǒng)通常借助C/A編碼恢復(fù)L1載波相位而通過平方恢復(fù)L2載波信號(hào)，不管調(diào)制的P編碼是否加密。這種過程的兩個(gè)嚴(yán)重缺陷是，首先對(duì)信號(hào)平方使得噪聲也得到了平方，其次平方有效地使波長(zhǎng)減少為一半并引入半周期模糊性?；謴?fù)載波信號(hào)的最終信噪比由于平方處理而變壞，例如與相關(guān)恢復(fù)載波的信噪比相比，增加30dB以上。
前述Keegan的專利(美國(guó)專利No.4,972,431)直接用來改善從接收自GPS衛(wèi)星的信號(hào)中恢復(fù)L1或L2載波并獲得P編碼偽范圍測(cè)量的平方技術(shù)，即使P編碼信號(hào)經(jīng)過加密。接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本相關(guān)起來并在平方最終的信號(hào)之前進(jìn)行帶通濾波。與簡(jiǎn)單地在帶寬內(nèi)平方相比，平方前的帶通濾波顯著提高了信噪比。
改善GPS接收機(jī)性能的另一種已知技術(shù)是使接收的L1和L2信號(hào)交叉相關(guān)以在L1-L2頻率處產(chǎn)生等價(jià)的載波信號(hào)。由于L1和L2由同一P編碼調(diào)制，所以這是可行的。與平方技術(shù)相比，交叉相關(guān)的顯著優(yōu)點(diǎn)是獲得了整個(gè)86厘米的波長(zhǎng)而不是平方技術(shù)下該值的一半。如上所述，L1載波信號(hào)的波長(zhǎng)約為19厘米，而載波周期模糊性的消除需要GPS位置確定在±9.5厘米范圍內(nèi)。如果利用平方技術(shù)來恢復(fù)加密的L2信號(hào)，其結(jié)果是12.2厘米波長(zhǎng)下的雙倍頻率成份(2L2)。利用頻率2L1-2L2的平方技術(shù)可以獲得的最好的(即最大的)載波周期模糊性由43厘米的波長(zhǎng)給出，所需的定位精度約為±21.5厘米。但是如果L1和L2信號(hào)是交叉相關(guān)的，則最終的信號(hào)屬于頻率L1-L2，載波周期模糊性約為86厘米而所需的定位精度約為±43厘米。
對(duì)于交叉相關(guān)L1和L2信號(hào)，有兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)。一個(gè)是與普通平方技術(shù)有關(guān)的低信噪比特性。另一個(gè)是由于電離層效應(yīng)，L1和L2信號(hào)通常不相干。與L1信號(hào)相比，L2信號(hào)將在電離層內(nèi)受到程度不等的延遲。由于延遲可能超過P編碼時(shí)隙間隔，所以在使兩個(gè)接收信號(hào)相關(guān)之前需要一定形式的時(shí)間補(bǔ)償。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明提供提供了解決這些困難的方案并具有另外一些優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明著眼于一種在GPS信號(hào)受到加密的P編碼序列調(diào)制時(shí)改善信號(hào)處理速度與精度的方法及其裝置。盡管P編碼序列經(jīng)過加密，但是本發(fā)明的技術(shù)仍然提供了對(duì)載波信號(hào)的訪問或者對(duì)載波差分信號(hào)的訪問。將會(huì)理解的是，說明書和所附權(quán)利要求中采用的術(shù)語“GPS”和“全球定位系統(tǒng)”并不局限于美國(guó)政府所管理的系統(tǒng)，它們還包含俄羅斯GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)和任何正在研制的相似系統(tǒng)。
在本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例中，通過平方其中一個(gè)接收到的載波信號(hào)或者交叉相關(guān)兩個(gè)接收到的載波信號(hào)消除了P編碼加密的影響。如果通過交叉相關(guān)的獲得正比于L1-L2的信號(hào)，則對(duì)載波相位測(cè)量的全周期模糊性分辨效率更高。在接收信號(hào)平方化的那些實(shí)施例中，產(chǎn)生相對(duì)于原始載波(在平方前)相位的半周期模糊性，并且必須提供解決這種模糊性的裝置。在所揭示的兩個(gè)實(shí)施例中，通過交叉相關(guān)分辨半周期模糊性以提供產(chǎn)生極性信號(hào)的L1-L2信號(hào)。在其中一個(gè)實(shí)施例中，有L1和L2的直接交叉相關(guān)，而且利用L1和L2的分離P編碼跟蹤環(huán)路產(chǎn)生的定時(shí)信息首先調(diào)整L1和L2的相對(duì)定時(shí)以補(bǔ)償電離層效應(yīng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，交叉相關(guān)是P輔助編碼的，即提供給交叉相關(guān)器的L1和L2信號(hào)由分離的編碼輔助跟蹤環(huán)路產(chǎn)生。(在較佳實(shí)施例中對(duì)P輔助編碼作了詳細(xì)描述。)本發(fā)明的其他方面以及實(shí)施例將在發(fā)明內(nèi)容后面作詳細(xì)描述。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，接收到的帶有加密P編碼的GPS L1和L2信號(hào)首先與本地產(chǎn)生的(未加密)P編碼相關(guān)，相關(guān)的結(jié)果經(jīng)過帶通濾波以改善信噪比，在許多地方這與前述Keegan(4,972,431)專利中的技術(shù)相同。但是在該實(shí)施例中，L1和L2信號(hào)分別與本地產(chǎn)生的P編碼相關(guān)并且每個(gè)單獨(dú)經(jīng)過帶通濾波。隨后濾波的信號(hào)經(jīng)過交叉相關(guān)以產(chǎn)生載波信號(hào)(L1-L2)，由此改善了分辨載波周期模糊性的能力。
該實(shí)施例的特定步驟包括接收每顆衛(wèi)星發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含偽隨機(jī)碼序列(即P編碼)的加密形式；在沒有加密的情況下獨(dú)立地產(chǎn)生P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本；使每個(gè)接收到的包含加密P編碼序列的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本相關(guān)以獲得兩個(gè)最終的信號(hào)，它們包含其幅度表示接收到的加密P編碼序列與本地產(chǎn)生的P編碼序列之間時(shí)序關(guān)系的峰值；帶通濾波每個(gè)從相關(guān)步驟中獲得的最終信號(hào)；在帶通濾波之后使最終的信號(hào)交叉相關(guān)以獲得頻率為(L1-L2)的載波信號(hào)，其信噪比也令人滿意。該方法進(jìn)一步包括控制產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟以使頻率譜中的峰值最大。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，接收到的GPS信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換為同相和正交成份，它們與本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)相關(guān)。源于這些相關(guān)的數(shù)字值隨后在定時(shí)間隔內(nèi)積分，該定時(shí)間隔對(duì)應(yīng)前面確定的加密P編碼序列的加密周期以在對(duì)應(yīng)加密周期的速率下提供同相(I)和正交(Q)值的輸出樣本。
在本實(shí)施例的變例中，這些I和Q樣本由接收到的信號(hào)產(chǎn)生并隨后復(fù)數(shù)平方以獲得對(duì)應(yīng)沒有P編碼加密效果的雙頻率成份的平方I和Q值。雙頻率載波成份隨后可以用來控制P編碼的產(chǎn)生和產(chǎn)生P編碼偽范圍測(cè)量以確定GPS接收機(jī)位置。
在數(shù)字化實(shí)施例的另一個(gè)變例中，與各自的P編碼相關(guān)的I和Q樣本由上述過程從L1和L2接收到的GPS信號(hào)中產(chǎn)生并隨后進(jìn)行交叉相關(guān)以產(chǎn)生頻率為L(zhǎng)1-L2的具有載波差成份的I和Q值。L1-L2信號(hào)便于分辨載波周期的模糊性。交叉相關(guān)采用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，由于與用來控制I和Q信號(hào)的積分和采樣的加密時(shí)間間隔相比，電離層延遲較小，所以不需要對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行電離層折射補(bǔ)償。
具體而言，本發(fā)明的數(shù)字平方技術(shù)的方法步驟包括接收多顆衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)包含偽隨機(jī)碼序列(即P編碼)的加密形式；將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；在沒有加密的情況下獨(dú)立地產(chǎn)生P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本，這種本地產(chǎn)生的數(shù)字P編碼包含同相和正交成份；以數(shù)字方式使接收的數(shù)字形式加密P編碼序列與P編碼序列本地產(chǎn)生副本的同相(I)和正交(Q)成份相關(guān)以獲得一系列相關(guān)的加密接收P編碼和未加密本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)的I和Q樣本；在前面確定為加密時(shí)間間隔的時(shí)間周期內(nèi)積分I和Q樣本以獲得相繼的I和Q數(shù)值；以及以數(shù)字方式平方從積分步驟獲得的I和Q數(shù)值以獲得與加密無關(guān)的平方I和Q值。
涉及以數(shù)字方式交叉相關(guān)接收的L1和L2信號(hào)產(chǎn)生的I和Q樣本的方法步驟包括接收多顆衛(wèi)星發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含偽隨機(jī)碼序列(即P編碼)的加密形式；將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立地并在本地產(chǎn)生沒有加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的數(shù)字形式的副本，該本地產(chǎn)生的P編碼包含同相(I)和正交(Q)成份；使包含加密的P編碼序列的接收L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列的數(shù)字副本數(shù)字相關(guān)以獲取兩個(gè)涉及L1的最終I和Q信號(hào)與另外兩個(gè)涉及L2的最終I和Q信號(hào)；分別對(duì)兩對(duì)最終信號(hào)在先前確定的加密時(shí)間間隔內(nèi)積分以獲取對(duì)應(yīng)接收到的L1信號(hào)的I1和Q1信號(hào)與對(duì)應(yīng)接收到的L2信號(hào)的I2和Q2信號(hào)；以及使最終的[I1＋jQ1]與[I2＋jQ2]信號(hào)數(shù)字交叉相關(guān)以獲取頻率為(L1-L2)的信噪比令人滿意的載波信號(hào)。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面采用了相似的數(shù)字技術(shù)來計(jì)算L1和L2接收到的GPS信號(hào)的P編碼跟蹤誤差。特別是接收到的信號(hào)(L1或L2)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式并與本地產(chǎn)生的P編碼前后信號(hào)相關(guān)。相關(guān)結(jié)果在加密時(shí)間間隔內(nèi)積分并隨后用來計(jì)算P編碼跟蹤誤差。跟蹤誤差由I和Q前后信號(hào)樣本與I和Q樣本的矢量點(diǎn)積計(jì)算得到，I和Q信號(hào)從接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列的相關(guān)中得到。由此計(jì)算的P編碼跟蹤誤差與通常的延遲鎖定跟蹤環(huán)路連用以控制P編碼序列和P編碼前后信號(hào)的產(chǎn)生。
本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施例可以借助一種處理全球定位系統(tǒng)(GPS)內(nèi)接收的信號(hào)的方法來定義，這種方法產(chǎn)生了頻率為經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1和L2GPS載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)。該方法包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中每顆衛(wèi)星發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含作為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的L1和L2分離數(shù)字副本，其包含同相(I)和正交(Q)成份；產(chǎn)生C/A編碼序列的副本；使C/A編碼序列的副本與接收的L1信號(hào)相關(guān)以對(duì)L1信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤；使P編碼序列的副本分別與接收的L1和L2信號(hào)相關(guān)以提供L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤；使從相關(guān)中獲得的I1/Q1和I2/Q2信號(hào)與P編碼序列的副本數(shù)字交叉相關(guān)以獲得頻率為(L1-L2)而信噪比令人滿意的載波信號(hào)；以及通過將交叉相關(guān)獲得的(L1-L2)載波信號(hào)與L1載波跟蹤獲得的L1載波信號(hào)組合起來進(jìn)行載波跟蹤L2信號(hào)。
本發(fā)明還可以借助一種處理全球定位系統(tǒng)(GPS)內(nèi)接收的信號(hào)的方法來限定義，這種方法由于采用了頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的載波信號(hào)L1與12之差的載波差信號(hào)，所以處理速度較快。該方法包括以下步驟在本地產(chǎn)生兩個(gè)分離的P編碼副本；采用P編碼副本以在分離的跟蹤環(huán)路中輔助進(jìn)行L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤；在本地產(chǎn)生C/A編碼副本；利用C/A編碼副本以跟蹤L1載波信號(hào)；平方L2載波信號(hào)以消除加密P編碼信號(hào)的影響并獲得頻率為2L2的信號(hào)，其中L2信號(hào)的相位通過將2L2相位一分為二得到(2L2/2)；使L1和L2載波信號(hào)交叉相關(guān)以獲取L1-L2差信號(hào)；從L1-L2差信號(hào)得到極性信號(hào)，由2L2/2相位得到的L2相位測(cè)量的半個(gè)周期的模糊性可以從中分辨出來。
具體而言，在上面一段所描述的方法中，交叉相關(guān)步驟是L1和L2載波信號(hào)的一種直接的交叉相關(guān)；并且該方法進(jìn)一步包括的步驟是在L1和L2交叉相關(guān)之前，利用L1和L2的分離編碼跟蹤環(huán)路得到時(shí)序信息調(diào)整L1相對(duì)L2的相位。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，通過利用多階相移寄存器相移L1和L2中的一個(gè)載波信號(hào)完成L1相對(duì)L2相位的調(diào)整，從而提供可變的延遲，并隨著分離跟蹤環(huán)路的定時(shí)信號(hào)控制延遲量。
在本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施例中，交叉相關(guān)步驟是其中一個(gè)編碼輔助交叉相關(guān)，其中交叉相關(guān)的L1和L2信號(hào)從L1和L2的分離編碼跟蹤環(huán)路中得到。
從前面的描述顯而易見的是，本發(fā)明在GPS接收機(jī)領(lǐng)域具有明顯的進(jìn)步。特別是當(dāng)GPS載波信號(hào)受到加密P編碼序列調(diào)制時(shí)，本發(fā)明提高了GPS接收機(jī)信號(hào)處理的精度和速度。正如在前面的Keegan專利中的那樣，這種加密情況下性能的提高是與P編碼加密的“反欺騙”功能分不開的。
通過下面結(jié)合附圖的描述，將會(huì)對(duì)本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)有所了解。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1為包括在GPS衛(wèi)星中的信號(hào)發(fā)射裝置的簡(jiǎn)化框圖；圖2為表示GPS衛(wèi)星發(fā)射的擴(kuò)展譜信號(hào)的譜密度的曲線圖；圖3為用來分析經(jīng)過P編碼加密的GPS衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)試裝置的框圖；圖4為表示圖3所示濾波器噪聲響應(yīng)的曲線圖；圖5為表示當(dāng)測(cè)試裝置接收未加密P編碼信號(hào)并使其與本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)相關(guān)時(shí)的圖3所示濾波器的輸出曲線圖；圖6為與圖5相似的曲線圖，但是表示的是當(dāng)裝置接收加密P編碼信號(hào)時(shí)的濾波器輸出曲線圖；圖7是將圖5和圖6組合在一起的曲線圖；圖8為按照本發(fā)明一個(gè)方面構(gòu)造的接收機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖，其中接收的L1和L2信號(hào)在交叉相關(guān)之前經(jīng)過帶通濾波以獲取L1-L2載波相位差的完整波長(zhǎng)；圖9A和9B包含了本發(fā)明數(shù)字實(shí)施例的框圖，其中從載波中接收的GPS信號(hào)(例如L2)經(jīng)過數(shù)字平方后去除了P編碼加密的影響；圖10A和10B包含了本發(fā)明另一個(gè)數(shù)字實(shí)施例的框圖，其中從L1和L2載波中接收的GPS信號(hào)與數(shù)字P編碼信號(hào)相關(guān)并在加密時(shí)間周期內(nèi)積分；圖11為表示圖10A和10B產(chǎn)生的信號(hào)如何交叉相關(guān)以去除P編碼加密影響的示意圖；圖12為表示與圖10A和10B相似的數(shù)字技術(shù)如何用來產(chǎn)生L1和L2P編碼的數(shù)字前后信號(hào)的示意圖；圖13A和13B為表示圖12中的前后信號(hào)如何用來產(chǎn)生L1和L2P編碼跟蹤誤差信號(hào)的框圖；圖14A和14B共同定義了本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例的框圖，它采用L1和L2編碼輔助交叉相關(guān)。
圖15A和15B共同定義了本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例的框圖，它采用了載波測(cè)量的編碼輔助平方和L1和L2的直接交叉相關(guān)以分辨載波測(cè)量中固有的半周期模糊性；以及圖16A和16B共同定義了本發(fā)明另一個(gè)較佳實(shí)施例的框圖，它采用了載波測(cè)量的編碼輔助平方(與圖15中的相同)和L1和L2的編碼輔助交叉相關(guān)以分辨載波測(cè)量中固有的半周期的模糊性。
實(shí)施發(fā)明的較佳方式導(dǎo)言本發(fā)明涉及對(duì)全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)的改進(jìn)，特別涉及用于勘查和高精度導(dǎo)航(運(yùn)動(dòng)學(xué))應(yīng)用的GPS接收機(jī)，其中需要訪問L1和L2兩個(gè)載波信號(hào)以提高基線測(cè)量的精度和速度。對(duì)兩種載波信號(hào)的訪問使得可以進(jìn)行相關(guān)化以補(bǔ)償GPS信號(hào)的電離層折射并且便于在勘查(運(yùn)動(dòng)學(xué))的結(jié)果中快速分辨相位模糊性。
對(duì)于
背景技術(shù)：
，圖1示出了L帶GPS信號(hào)如何合成以供GPS衛(wèi)星發(fā)射。每顆衛(wèi)星上的發(fā)射機(jī)包括用標(biāo)號(hào)10表示的自動(dòng)時(shí)鐘和四個(gè)頻率乘法器或除法器12、14、16和18。時(shí)鐘頻率為10.23兆赫，在頻率乘法器12中乘上154以提供第一L帶發(fā)射(用L1信號(hào)表示)用的1575.4兆赫的載波頻率，并在乘法器14中乘上120以提供第二L帶發(fā)射(用L2信號(hào)表示)用的1227.6兆赫的載波頻率。發(fā)射機(jī)還包括產(chǎn)生作為P編碼的偽隨機(jī)碼的P編碼器20和產(chǎn)生作為C/A編碼(用于粗糙/精細(xì)編碼)的另一種偽隨機(jī)碼的C/A編碼器22。
P編碼是兩級(jí)或二進(jìn)制編碼，以直接來自時(shí)鐘10的10.23兆赫的速率改變狀態(tài)。編碼的每個(gè)比特或者“時(shí)隙”在空間的發(fā)射約為30米長(zhǎng)，而編碼的持續(xù)時(shí)間約為1星期。即編碼序列的每個(gè)完整循環(huán)為1星期長(zhǎng)。只有P編碼的十分之一的C/A編碼變化率(即1.023兆赫)由時(shí)鐘10通過頻率除法器16得到。C/A編碼的間隔為1023個(gè)時(shí)隙，這意味著編碼經(jīng)過1023個(gè)編碼單元后重復(fù)。C/A編碼的每個(gè)完整循環(huán)占用1毫秒，而每個(gè)C/A編碼時(shí)隙在發(fā)射時(shí)約為300米長(zhǎng)。
發(fā)射機(jī)中余下的頻率除法器18的除數(shù)因子為204600，從而產(chǎn)生50赫茲的時(shí)鐘頻率以對(duì)包含發(fā)射L1和L2信號(hào)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器24進(jìn)行訪問。P編碼器20和存儲(chǔ)器24的輸出作為異或門30的輸入，而C/A編碼器22和存儲(chǔ)器24的輸出作為另一個(gè)異或門32的輸入。第一異或門30的輸出與兩個(gè)混合器34和36相連，而第二異或門32的輸出與第三混合器38相連。功能塊40用來指示1575.42兆赫的L1載波信號(hào)被分裂為兩個(gè)正交的成份，隨后分別由混合器34和38調(diào)制并在放大器44放大和從天線46發(fā)射之前在信號(hào)復(fù)合器42中復(fù)合。
L1信號(hào)來自1575.42兆赫的載波、與數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)合的P編碼信號(hào)以及與同一數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)合的正交C/A編碼信號(hào)。L2信號(hào)來自1227.6兆赫的載波、與數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)合的P編碼信號(hào)。通常在L1信號(hào)中，P編碼相對(duì)C/A編碼的功率比率為1/2。
圖2示出了偽隨機(jī)編碼調(diào)制的載波信號(hào)的頻譜。頻率沿著水平軸畫出，而譜成份的功率密度沿著縱軸畫出。譜功率密度曲線上的垂直線由等于編碼重復(fù)頻率的頻率分割。位于分布中心處的譜線表明，載波頻率受到了抑制。曲線的形狀為如下的形式功率密度＝[(sinx)/x]2這里x正比于頻率f，其中x＝πf/fclock，而fclock是偽隨機(jī)碼時(shí)鐘頻率。由圖2可見，在中心頻率的+fclock和-fclock處，分布上有一級(jí)零點(diǎn)。
在通常GPS接收機(jī)中，在能夠計(jì)算接收機(jī)位置之前要完成兩個(gè)重要的功能。一個(gè)是測(cè)量相對(duì)所用四顆衛(wèi)星的表觀或者為范圍以確定三維位置，三顆衛(wèi)星只能確定二維位置。另一個(gè)功能是恢復(fù)載波信號(hào)上調(diào)制的數(shù)據(jù)。對(duì)于勘查應(yīng)用中高度精確的基線測(cè)量，載波信號(hào)L1和L2從接收的信號(hào)中恢復(fù)，并且載波相位信息用來導(dǎo)出更精確的接收機(jī)相對(duì)位置的測(cè)量。從GPS信號(hào)中確定位置所用的數(shù)學(xué)方程是眾所周知的并且不作為本發(fā)明的內(nèi)容。
每個(gè)接收機(jī)都必須能夠區(qū)分各顆衛(wèi)星。為此，每顆衛(wèi)星產(chǎn)生其P編碼和C/A編碼的不同的偽隨機(jī)碼。接收機(jī)具有多條信道，，每條信道包括能產(chǎn)生衛(wèi)星編碼的P編碼和C/A編碼發(fā)生器以用來與輸入信號(hào)匹配并正確識(shí)別每顆衛(wèi)星。
通過相關(guān)恢復(fù)載波通過產(chǎn)生P編碼(和/或C/A編碼)的副本并隨后使副本與從衛(wèi)星接收的編碼相關(guān)可以實(shí)現(xiàn)偽范圍的測(cè)量。如果副本和接收的信號(hào)在時(shí)間上是對(duì)齊的，則相關(guān)過程的結(jié)果是輸出信號(hào)頻譜中的尖峰。譜峰的位于原始載波頻率的中央，它受衛(wèi)星內(nèi)的編碼調(diào)制抑制。因此，相關(guān)過程可以視為對(duì)接收信號(hào)的“解擴(kuò)展”以獲取原始載波信號(hào)，該信號(hào)受到較慢的50赫茲頻率的數(shù)據(jù)比特的調(diào)制?；謴?fù)的載波信號(hào)，特別是它的相位可以用在勘查應(yīng)用中以精確確定兩個(gè)以上位置的接收機(jī)之間的相對(duì)傳播時(shí)間?；謴?fù)的載波經(jīng)過解調(diào)以獲取數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以與多顆衛(wèi)星的偽范圍連用以確定接收機(jī)的位置。
P編碼加密的影響在調(diào)制載波之前加密P編碼使得GPS接收機(jī)中利用P編碼更為困難。由于加密，接收的加密P編碼不能與本地產(chǎn)生的P編碼匹配，并且通常的GPS接收機(jī)無法鎖定輸入的信號(hào)。由于L2信號(hào)只受到P編碼(和數(shù)據(jù))的調(diào)制，所以當(dāng)P編碼加密后無法通過通常的相關(guān)途徑訪問L2載波。接近這個(gè)問題的一個(gè)方法是平方接收的信號(hào)來代替相關(guān)以獲得對(duì)L2載波的訪問。當(dāng)雙相位調(diào)制載波信號(hào)自身相乘時(shí)，其結(jié)果是去除所有調(diào)制的兩倍載波頻率信號(hào)。這從下面的三角恒等式可以看到cos 2x＝1-2sin2x如果x＝2πfct，其中fc為載波頻率，則可以看到sin22πfct＝1/2(1-cos4πfct)＝sin2(2πfct+π)不管是否為雙相調(diào)制，該結(jié)果都是一樣的。因此，平方提供了一種技術(shù)，它不管接收信號(hào)的雙相位調(diào)制性質(zhì)如何，都能恢復(fù)原始載波信號(hào)的二次諧波。這種方法的主要缺點(diǎn)是最終載波信號(hào)的信噪比有所降低并且波長(zhǎng)減半，從而引起半周期的模糊性。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)利用本發(fā)明的顯著改進(jìn)部分是由于P編碼加密的特性，該特性可以通過加密信號(hào)的譜分析觀察到。圖3示出了GPS接收機(jī)如何連接從而觀察到加密P編碼主要特性的示意圖。該接收機(jī)裝置包括天線50和與其相連并用來處理L1和L2信號(hào)的預(yù)放大器52。為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，天線為指向選定衛(wèi)星的方向碟狀天線。信號(hào)首先由中頻部分處理，中頻部分包括混頻器54、第一IF放大器56、第二混頻器58和第二IF放大器60。通過頻率合成電路62向第一和第二混頻器54和58提供本地產(chǎn)生振蕩器信號(hào)，電路62從振蕩器64取出頻率標(biāo)準(zhǔn)。
第二IF放大器60的輸出與相關(guān)器66相連，相關(guān)器的第二輸入取自產(chǎn)生衛(wèi)星跟蹤用的P編碼副本的P編碼發(fā)生器68。相關(guān)器66的輸出通過濾波器70至環(huán)路控制電路72，其主要的用途是向P編碼發(fā)生器68提供控制信號(hào)以使相關(guān)器輸出中的譜峰最大。如74所示，環(huán)路控制電路由來自L1 GPS信號(hào)中的C/A編碼通常相關(guān)結(jié)果的定時(shí)信號(hào)輔助。譜分析器76附著在接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的各點(diǎn)以觀察加密P編碼信號(hào)的性質(zhì)。
圖4-7表示來自圖3裝置的測(cè)試結(jié)果。首先，圖4給出了濾波器70的噪聲響應(yīng)。用dB為單位的輸出信號(hào)電平相對(duì)含有寬帶噪聲的輸入信號(hào)的頻率作圖。對(duì)于該附圖以及圖5-7，濾波器的中央頻率為26.593兆赫，頻率刻度為每格200KHz，而輸出信號(hào)電平的刻度每格為5dB。
圖5示出了當(dāng)天線50接收未加密P編碼和進(jìn)行P編碼相關(guān)過程時(shí)濾波器70的輸出。濾波器譜輸出的中央峰表示載波信號(hào)。圖6示出了當(dāng)P編碼加密時(shí)濾波器的輸出。這種情況下的相關(guān)過程只產(chǎn)生非常明顯的譜峰。圖7為圖4和圖6的合成，并且示出了非完美相關(guān)P編碼信號(hào)的特性[(sinx)/x]2的形狀。
由圖7可見加密P編碼的二個(gè)重要特性。首先，加密實(shí)際上是在p編碼上疊加附加的編碼；其次，加密的帶寬明顯比p編碼帶寬本身窄。加密譜呈現(xiàn)[(sinx)/x]2的形式，第一零點(diǎn)位于+500KHz和-500KHz處。本發(fā)明的一個(gè)方面是利用這些特性來導(dǎo)出信噪比明顯提高的L2載波信號(hào)。
與未加密P編碼相比，對(duì)實(shí)驗(yàn)期間獲得的加密P編碼數(shù)據(jù)作了更詳細(xì)的分析，從而能夠更精確地估計(jì)出加密編碼間隔。這種分析的相位基本上涉及加密P編碼信號(hào)與未加密P編碼信號(hào)的相關(guān)。最終的加密編碼包含隨時(shí)間變化間隔，但是很容易確定。下面將要進(jìn)一步解釋的是，在本發(fā)明的一種形式中采用了這些加密編碼間隔并假定通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析精確確定這些加密編碼間隔。
頻率項(xiàng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式的意義在文字和附圖中已經(jīng)給出了特定的方程式，它們涉及對(duì)L1和L2頻率的信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。這些方程中L1和L2項(xiàng)的符號(hào)用特定的頻率表示，即L2IF(中頻)為正的10.23兆赫而L1 IF為負(fù)的10.23兆赫。對(duì)于本發(fā)明來說IF的選擇不是根本的，通過將L1和L2項(xiàng)乘上合適的標(biāo)度常數(shù)可以使方程適合任何頻率。
GPS信號(hào)成份相干的意義本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施例都利用了GPS信號(hào)各部分的相干性。由GPS衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào)和偽隨機(jī)碼都由單個(gè)振蕩器和定時(shí)單元產(chǎn)生并且相互干涉的。L1上的C/A編碼的編碼邊緣和L1與L2上的P編碼同時(shí)發(fā)生(在C/A和P編碼之間有π/4的載波相位周期偏離)并以相對(duì)受抑制的L1和L2載波信號(hào)的相位呈固定的關(guān)系發(fā)生。除了因電離感應(yīng)的信號(hào)延遲而引起的差異以外，接收的信號(hào)維持這些定時(shí)關(guān)系。
編碼和載波的相干被用于本發(fā)明以提供改進(jìn)的GPS測(cè)量。只有一個(gè)相位和編碼跟蹤環(huán)路必須設(shè)計(jì)為較寬的帶寬以容納接收機(jī)振蕩器的動(dòng)態(tài)變化。所有其他跟蹤環(huán)路隨后可以在跟蹤動(dòng)態(tài)的第一環(huán)路輸出的輔助下變窄。變窄的跟蹤環(huán)路帶寬由于隨機(jī)噪聲的原因降低了誤差并且使得信號(hào)可以在低得多的信噪比的情況下跟蹤信號(hào)。
當(dāng)P編碼信號(hào)因加密而質(zhì)量下降時(shí)，通過采用未加密C/A編碼，最強(qiáng)的可用信號(hào)并隨后利用該環(huán)路的輸出跟蹤L1抑制載波相位以輔助跟蹤L1上的編碼和L2上受抑制的載波，可以獲得最佳的跟蹤性能。L1 C/A載波典型地是在第二和第三階Costas環(huán)路中以10-30赫茲的噪聲帶寬下被跟蹤，這使得當(dāng)經(jīng)受幾倍于地球引力加速度的情況下，接收機(jī)可以跟蹤載波而不失去鎖定。L1和L2編碼和L2載波用1到0.1Hz帶寬的鎖相環(huán)路來跟蹤。
改進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例(圖8所示)，在交叉相關(guān)之前接收的L1和L2信號(hào)的輸入加密P編碼信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼相關(guān)并帶通濾波以產(chǎn)生載波差頻率為L(zhǎng)1-L2的信號(hào)。在進(jìn)一步濾波之后，該信號(hào)被用來測(cè)量全波長(zhǎng)相位和L1-L2載波差頻的頻率。在500KHz上進(jìn)行的帶通濾波所提供的信噪比與Keegan的專利相同或者更好(3dB以上)，但是由于獲得了L1-L2的全波長(zhǎng)，所以分辨載波周期模糊性的能力更強(qiáng)。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中(圖9A和9B所示)，接收的GPS信號(hào)(L1或L2)分解為同相(I)和正交(Q)成份，它們各自與本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)數(shù)字相關(guān)，在已知的加密時(shí)間間隔內(nèi)積分并隨后數(shù)字平方以產(chǎn)生向下轉(zhuǎn)換L1和L2載波信號(hào)的二次諧波。通常的鎖相環(huán)路可以用來跟蹤這些平方信號(hào)以提供θ、預(yù)測(cè)的相位用作與輸入的L1或L2載波信號(hào)相關(guān)。在本實(shí)施例的變形中(圖10A和10B所示)，L1和L2接收信號(hào)被單獨(dú)分解為I和Q成份，單獨(dú)與相應(yīng)的L1或L2本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)數(shù)字相關(guān)以及單獨(dú)地在加密間隔上積分。由這些過程引出的I和Q信號(hào)隨后數(shù)字交叉相關(guān)以提供載波差頻率L1-L2處的全波長(zhǎng)信號(hào)。當(dāng)分辨率提高時(shí)，數(shù)字交叉相關(guān)提供了與對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)交叉相關(guān)相等的信噪比。但是，由于積分的定時(shí)和轉(zhuǎn)儲(chǔ)過程和交叉相關(guān)由跟蹤的P編碼單獨(dú)控制，所以無需附加電路來補(bǔ)償L1和L2信號(hào)接收之間的電離層延遲。
本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施例(圖14A和14B所示)采用L1和L2的編碼輔助交叉相關(guān)以獲得更長(zhǎng)的L1-L2波長(zhǎng)。將獨(dú)立P編碼跟蹤環(huán)路用于L1和L2的編碼跟蹤。L1和L2的交叉相關(guān)被用于接近L1輔助的L2載波跟蹤環(huán)路。
在本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施例(圖15A和15B所示)中，通過L2信號(hào)復(fù)數(shù)平方得到L2載波相位的測(cè)量，并且借助L1和L2的直接交叉相關(guān)來分辨平方L2信號(hào)的雙頻成份的半周期模糊性。L1-L2的相位極性，即從直接交叉相關(guān)得到的L1相對(duì)L2的相位被用來分辨平方L2信號(hào)的半周期的模糊性。
本發(fā)明的還有一個(gè)實(shí)施例(圖16A和16B所示)與圖15A和15B所示實(shí)施例相似，除了L1和L2交叉相關(guān)是P編碼輔助的以外。本實(shí)施例與圖14A、14B、15A和15B的實(shí)施例一樣，利用了由C/A編碼相關(guān)導(dǎo)出的較強(qiáng)L1載波信號(hào)，其中C/A編碼相位可以從L1P編碼跟蹤環(huán)路或者C/A編碼跟蹤環(huán)路中導(dǎo)出。
帶預(yù)濾波的L1和L2P編碼的交叉相關(guān)圖8描述了本發(fā)明的一個(gè)方面，其中GPS信號(hào)L1和L2由線路80和82分別接收，隨后在中頻混頻器84和86中下轉(zhuǎn)換。最終的信號(hào)輸入相關(guān)器88和90中用來與來自P編碼發(fā)生器92.1和92.2的本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)相關(guān)。相關(guān)器88和90的輸出分別由帶通濾波器94和96處理，隨后輸入交叉相關(guān)器98。如果L1和L2信號(hào)之間因電離層折射引起的相對(duì)延遲與濾波器帶寬的倒數(shù)相比較小，則交叉相關(guān)器98的輸出包含L1-L2的成份，由于平方后的波長(zhǎng)為86厘米而不是43厘米，所以載波相位模糊性的分辨能力得到了改善。交叉相關(guān)器98的輸出通過環(huán)路濾波器99和L1-L2載波跟蹤控制邏輯100處理以獲得L1-L2載波相位測(cè)量。
用于輸入相關(guān)器88和90的停頓P編碼信號(hào)停頓的產(chǎn)生受兩個(gè)相同的P編碼跟蹤環(huán)路控制。對(duì)于L1信號(hào)，P編碼跟蹤環(huán)路包括P編碼器92.1、相關(guān)器101.1、另一個(gè)500KHz濾波器102.1、平方電路103.1、環(huán)路濾波器104.1和環(huán)路控制電路105.1。IF混頻器84的輸出連同線路106.1上的抖動(dòng)P編碼信號(hào)，從P編碼器92.1發(fā)射至相關(guān)器101.1。相關(guān)器101.1的輸出通過500KHz濾波器102.1、平方電路103.1、環(huán)路濾波器104.1和環(huán)路控制電路105.1的處理，并用來控制P編碼器92.1的時(shí)序。P編碼器92.1還在線路107.1上輸出送至相關(guān)器90的停頓P編碼信號(hào)。對(duì)于L2信號(hào)采用相同的P編碼跟蹤環(huán)路，它包括P編碼器92.2、相關(guān)器101.2、另一個(gè)500KHz濾波器102.2、平方電路103.2、環(huán)路濾波器104.2和環(huán)路控制電路105.2。
圖8的電路與已有技術(shù)的部分相似，其中L1和L2接收信號(hào)經(jīng)過交叉相關(guān)以獲得在鎖相環(huán)路中獲取載波相位的L1-L2載波信號(hào)。本發(fā)明該實(shí)施例的新穎之處是與P編碼相關(guān)和增加了兩個(gè)帶通濾波器94和96，它們的理想帶寬近似為500kHz，這是通過對(duì)GPS衛(wèi)星的加密P編碼信號(hào)的性質(zhì)的觀察確定的。
在加密間隔內(nèi)進(jìn)行L2信號(hào)的數(shù)字平方圖9A和9B描述了用于平方由接收到的L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)導(dǎo)出的信號(hào)的本發(fā)明的數(shù)字形式。為簡(jiǎn)化起見省略了頻率下轉(zhuǎn)換，但是應(yīng)該理解的是下轉(zhuǎn)換電路是需要的。L2信號(hào)在天線110上接收，由帶通濾波器112處理，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器114內(nèi)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。后者可以采用硬限幅器電路的形式，它的輸出提供了一位的數(shù)字分辨率，或者可以采用多級(jí)量化。本地產(chǎn)生的P編碼信號(hào)也采用數(shù)字形式(+1)，并且連同IF信號(hào)估計(jì)的載波相位角的正弦和余弦值輸入至乘法器116和118中。估計(jì)的相位角θ被用來計(jì)算(或者查尋)相應(yīng)的sinθ和cosθ，隨后輸入乘法器116和118。最終的積被輸入乘法器120和122，并作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器114的輸入。乘法器120和122的輸出分別送至兩個(gè)積分和轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124與126。后者由線路128上的定時(shí)信號(hào)控制以提供等于加密信號(hào)間隔的積分周期。定時(shí)間隔通過對(duì)加密P編碼的分析，特別是對(duì)加密P編碼信號(hào)與未加密P編碼信號(hào)的相關(guān)結(jié)果的分析來確定。
這些周期性地在線路130和132上由積分和轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路輸出的信號(hào)是接收到的L2信號(hào)的同相和正交成份。它們被輸入至復(fù)數(shù)平方電路134，產(chǎn)生平方信號(hào)的成份，分別用ISQ和QSQ表示。這些成份輸入至通常的鎖相環(huán)路電路以進(jìn)行載波恢復(fù)，如136處表示的那樣。
平方電路134中的復(fù)數(shù)平方根據(jù)以下表達(dá)式完成輸入信號(hào)的自乘運(yùn)算(I+jQ)2＝(I2-Q2)+j2IQ＝ISQ+QSQISQ和QSQ由通常的鎖相跟蹤環(huán)路使用，產(chǎn)生了圖9A中所用的估計(jì)載波相位角θ。
具有加密間隔內(nèi)積分的接收信號(hào)的數(shù)字平方獲得了同樣的結(jié)果以在P編碼相關(guān)和帶通濾波后平方相應(yīng)的模擬信號(hào)，即信噪比得到了明顯的改善而分辨載波單周期模糊性的時(shí)間更少。
在加密間隔內(nèi)L1和L2信號(hào)的數(shù)字交叉相關(guān)對(duì)于接收的L1和L2模擬信號(hào)的交叉相關(guān)來說，該技術(shù)屬于模擬的，但是具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。圖10A和10B示出了所需的電路。由于許多部件完成的是圖9A中所示的相同的功能，所以采用相同的標(biāo)號(hào)并用后綴“.1”或“.2”來表示L1或L2電路。如圖9A所示，為簡(jiǎn)化起見，頻率下轉(zhuǎn)換予以省略，但是通常的頻率下轉(zhuǎn)換是必需的。從L1和L1P編碼信號(hào)中產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)I1和Q1的電路示于圖10A。它包括使P編碼調(diào)制信號(hào)通過的帶通濾波器112.1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器114.1乘法器116.1、118.1、120.1和122.1以及積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.1和126.1。I1和Q1信號(hào)由積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.1和126.1在線路130.1和132.1上輸出。載波相位角θL1如圖9A所述從數(shù)字平方獲得。
同樣，從L2和L2P編碼信號(hào)中產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)I2和Q2的電路示于圖10B。它包括使P編碼調(diào)制信號(hào)通過的帶通濾波器112.2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器114.2乘法器116.2、118.2、120.2和122.2以及積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.2和126.2。I2和Q2信號(hào)由積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.2和126.2在線路130.2和132.2上輸出。載波相位角θL2如圖9A所述從數(shù)字平方獲得。
來自圖10A和10B的電路的輸出信號(hào)I1、Q1、I2和Q2輸入數(shù)字交叉相關(guān)器134’(圖11)，它產(chǎn)生與頻率差L1-L2有關(guān)的輸出I和Q信號(hào)。這些在圖中用I(L1-L2)和Q(L1-L2)表示的信號(hào)輸入通常的鎖相環(huán)路，用136’表示。數(shù)字交叉相關(guān)器134’根據(jù)下式完成相關(guān)(I1+jQ1)(I2-jQ2)＝(I1I2+Q1Q2)+j(Q1l2-I1Q2)＝I(L1-L2)+jQ(L1-L2)IL1-L2和QL1-L2由鎖相跟蹤環(huán)路等用來估計(jì)載波頻率差L1-L2的相位。
L1和L2信號(hào)的這種數(shù)字交叉相關(guān)具有與信號(hào)的模擬交叉相關(guān)一樣的優(yōu)點(diǎn)，即由于頻率差L1-L2代替了2L1-2L2，所以分辨單周期相位模糊性的時(shí)間顯著降低。與通常的交叉相關(guān)相比，信噪比提高了13dB。數(shù)字方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需補(bǔ)償L2相對(duì)L1的差分電離層延遲。這時(shí)因?yàn)榇蠖鄶?shù)的電離層延遲只有0.3微秒而積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路產(chǎn)生間隔為2微秒的輸出(500KHz速率)。因此，來自積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路的相應(yīng)L1和L2輸出很容易相互關(guān)聯(lián)而不會(huì)因延遲受到損失，并且可變時(shí)間延遲電路完全沒有必要。
P編碼跟蹤誤差的數(shù)字處理圖12表示如何采用與圖9A、10A和10B相似的電路來產(chǎn)生數(shù)字前后信號(hào)。電路包括乘法器116.1’、118.1’、120.1’、和122.1’以及積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.1’和126.1’。乘法器116.1’和118.1’分別具有估計(jì)相位角和L1 PE/L信號(hào)的數(shù)值的正弦和余弦輸入。這就是L1載波的P編碼前后信號(hào)并取值0、+1或者-1。乘法器116.1’和118.1’的輸出在乘法器120.1’和122.1’中乘以L1，后面乘法器的輸出在積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路124.1’和126.1’中累加。最終在線路130.1’和132.1’上以加密時(shí)刻輸出的最終信號(hào)用IEL1和QEL1表示。用方塊140表示的同一電路從接收的L2信號(hào)中產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，這些信號(hào)用IEL2和QEL2表示。
如圖13A所示，在矢量點(diǎn)積電路142.1中計(jì)算了L1 P編碼跟蹤誤差。這種跟蹤誤差隨后由環(huán)路濾波器144.1、數(shù)字移相器或電壓控制振蕩器146.1和P編碼發(fā)生器148.1之類的普通部件用來產(chǎn)生L1的PEL信號(hào)。矢量點(diǎn)積電路142.1計(jì)算矢量I1+Q1與IEL1+jQEL1之積。矢量的點(diǎn)積是矢量大小的乘積乘上矢量的夾角的余弦。兩個(gè)矢量的矢量點(diǎn)積由下式給出I1IEL1+Q1QEL1圖13B描述了與圖13A相同的電路但是用于計(jì)算L2的PEL信號(hào)。在這種情況下，P編碼跟蹤誤差計(jì)算為I2IEL2+Q2QEL2。圖13A和13B中L1和L2導(dǎo)出的P編碼跟蹤信號(hào)用來控制圖10A和10B中L1P編碼和L2P編碼的定時(shí)。
P編碼跟蹤誤差控制圖9A、10A和10B中L1P編碼和L2P編碼的定時(shí)。以同樣的方式在加密速率下采用P編碼跟蹤誤差信號(hào)與tau抖動(dòng)技術(shù)相比提高了6dB。這種方法無需了解加密技術(shù)，只要通過實(shí)驗(yàn)確定加密定時(shí)即可。來自L1和L2的最終P編碼偽范圍測(cè)量以更高的精度和減小了的多重路徑效應(yīng)得到。
采用編碼輔助交叉相關(guān)的另一個(gè)實(shí)施例圖14A和14B示出了采用L1和L2信號(hào)的編碼輔助數(shù)字交叉相關(guān)的本發(fā)明的實(shí)施例的主要的接收機(jī)功能。在這些附圖中采用了新的標(biāo)號(hào)，但是許多部件與前述圖中的相似。
在圖14A、14B、15A、15B、16A和16B中，采用數(shù)字方式完成處理。在圖14A中，假定接收的L1信號(hào)在輸入兩個(gè)混頻器160之前已經(jīng)經(jīng)過頻率下轉(zhuǎn)換、濾波和數(shù)字化。因此混頻器160的輸出為線路164上所示的I和Q信號(hào)成份。這些L1的I和Q信號(hào)成份域來自相關(guān)器168內(nèi)C/A編碼器166中的信號(hào)相關(guān)，編碼器166在線路170上提供了I和Q信號(hào)以輸出至加法器電路172中。后者完成與前面所述積分轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路相同的功能并以1毫秒的間隔積分I和Q信號(hào)。
加法器電路172的輸出提供了表示L1載波的信號(hào)。這些輸入至用虛線174表示的通常Costas環(huán)路誤差計(jì)算中。用虛線表示的所有部件可以在微處理器內(nèi)用軟件實(shí)現(xiàn)。Costas環(huán)路誤差計(jì)算174向載波數(shù)字控制振蕩器(NCO)176提供了反饋信號(hào)，它產(chǎn)生頻率為308dl的輸出、多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的接收L1信號(hào)(包括接收機(jī)基準(zhǔn)振蕩器中由于不精確性引起的任何頻率位移)。眾所周知的是，GPSL帶信號(hào)包含了因發(fā)射衛(wèi)星相對(duì)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移產(chǎn)生的頻率成份。對(duì)于L1信號(hào)，接收的頻率為308F+308dl，這里F為產(chǎn)生其它GPS頻率的基頻(F＝5.115MHz)，而308dl為多普勒效應(yīng)引起的頻率。在本發(fā)明的實(shí)施例中下轉(zhuǎn)換后，施加到混頻器160上的L1信號(hào)的頻率為-2F+308dl。當(dāng)然，其它下轉(zhuǎn)換因子也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在接收機(jī)到線路178上提供了8F的基本采樣頻率，它在頻率分割器180內(nèi)一分為四從而產(chǎn)生2F頻率。信號(hào)復(fù)合器82將基本的2F采樣信號(hào)和來自載波NCO176的308dl信號(hào)復(fù)合起來以產(chǎn)生頻率為2F+308dl的信號(hào)，它用來驅(qū)動(dòng)正弦/余弦查尋表162，在接收機(jī)內(nèi)有效地關(guān)閉L1載波跟蹤環(huán)路。
C/A編碼器166的時(shí)鐘信號(hào)的一部分從線路178上的8F采樣頻率導(dǎo)出。8F信號(hào)在另一個(gè)復(fù)合模塊中與標(biāo)度為8dl的多普勒頻率復(fù)合，通過對(duì)載波NCO176輸出的308dl信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度可以獲得該多普勒信號(hào)。具體而言，載波NCO176的輸出借助頻率乘法器186和頻率分割器188標(biāo)度至8dl，該乘法器186乘上4倍因子的頻率而頻率分割器將頻率除以154。復(fù)合器184的輸出進(jìn)一步由另一頻率分割器190中的因子4分割以獲得2F＋2dl的時(shí)鐘頻率，從而驅(qū)動(dòng)P編碼器192。時(shí)鐘頻率由頻率分割器194中的因子10分割以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)C/A編碼器166的時(shí)鐘信號(hào)。
利用P編碼器192提供的信號(hào)，特別是前后信號(hào)和停頓信號(hào)(它們連同線路164上的I和Q信號(hào)分別施加在兩個(gè)相關(guān)器196和198)，實(shí)現(xiàn)L1信號(hào)的編碼跟蹤。相關(guān)器196的輸出IEL和QEL輸入求和電路200，該求和電路200在對(duì)應(yīng)加密編碼(w編碼)的時(shí)間間隔上積分這些信號(hào)。同樣，相關(guān)器198的輸出IP和QP輸入求和電路202，該求和電路202在加密時(shí)間間隔上積分這些信號(hào)。求和電路200和202的輸出輸入至實(shí)現(xiàn)矢量點(diǎn)積計(jì)算(與圖13A所示方式相同)的矢量點(diǎn)積電路204，并產(chǎn)生編碼誤差信號(hào)作為輸出。編碼誤差信號(hào)在求和電路206中以1毫秒的時(shí)間間隔積分，其輸出提供給通常的環(huán)路誤差計(jì)算208。后者向其中一個(gè)頻率分割器提供控制信號(hào)，特別是分割器188，該分割器刪除并加入正比于編碼誤差信號(hào)的時(shí)鐘脈沖，從而關(guān)閉接收機(jī)的編碼跟蹤。
接收的L2信號(hào)的編碼跟蹤環(huán)路與接收的L1信號(hào)相似，除了L2的部件加上(’)以外，圖14B的標(biāo)號(hào)都是相同的。因此，借助混合器160’和正弦/余弦查尋表162’提供的正弦和余弦信號(hào)將接收的L2信號(hào)分解為I和Q成份。I和Q成份在相關(guān)器196’和198’內(nèi)與停頓和前后P編碼信號(hào)相關(guān)，并且相關(guān)的結(jié)果由求和電路200’和202’在w編碼間隔內(nèi)對(duì)相關(guān)結(jié)果積分。積分結(jié)果由矢量點(diǎn)積電路204’處理以產(chǎn)生編碼誤差信號(hào)，該信號(hào)在求和電路206’中以1毫秒的間隔積分。環(huán)路誤差計(jì)算208’反饋調(diào)整施加在P編碼器192’上的時(shí)鐘信號(hào)的控制信號(hào)。
L2的載波跟蹤借助交叉相關(guān)電路210實(shí)現(xiàn)，該電路具有求和電路202在線路212上的輸出和求和電路202’在線路212’上輸出的L2I和Q信號(hào)作為輸入。交叉相關(guān)電路210的I和Q輸出分別由I1I2-Q1Q2和-(I1Q2+I2Q1)給出。這些輸出在求和電路214內(nèi)以1毫秒的間隔積分。最終的L1-L2信號(hào)輸入通常的鎖相環(huán)路誤差計(jì)算216，它還接收來自輔助操作的L1 Costa環(huán)路誤差計(jì)算174的L1信號(hào)。采用輔助鎖相環(huán)路的原因是與“非平方”C/A編碼導(dǎo)出的L1信號(hào)的信噪比相比，平方接收的信號(hào)或者交叉相關(guān)兩個(gè)接收的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致較差的信噪比。由于L1和L2信號(hào)基本上是相干的，除了電離層效應(yīng)以外，在接收的L1信號(hào)中測(cè)量到的任何頻率誤差可以標(biāo)度以產(chǎn)生L2信號(hào)的等價(jià)頻率誤差。鎖相環(huán)路的輔助操作利用該關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。從L1信號(hào)接收的頻率標(biāo)度至L2并用來實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤L2載波的帶寬比采用無輔助的鎖相環(huán)路的交叉相關(guān)的帶寬更窄。
特別是鎖相環(huán)路誤差計(jì)算216產(chǎn)生施加在載波NCO176’上的誤差信號(hào)，載波NCO176’的輸出是頻率為240d2的多普勒頻率信號(hào)。這作用于頻率復(fù)合器182’，該頻率復(fù)合器還接收線路218上的標(biāo)準(zhǔn)2F頻率信號(hào)。復(fù)合器182’的輸出施加在正弦-余弦查尋表162’上以關(guān)閉載波跟蹤環(huán)路。總之，本發(fā)明的該實(shí)施例采用C/A編碼跟蹤L1載波信號(hào)并采用P編碼輔助編碼跟蹤L1和L2。(L1上的編碼跟蹤可以由P編碼輔助編碼跟蹤或者C/A編碼跟蹤)L2載波跟蹤借助L1和L2的交叉相關(guān)實(shí)現(xiàn)以獲得控制信號(hào)來調(diào)整L2載波信號(hào)NCO。
采用直接交叉相關(guān)的另外的實(shí)施例圖15A和15B示出了對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)所作的進(jìn)一步修改，其中L2載波跟蹤和相位測(cè)量由L2信號(hào)的復(fù)數(shù)平方完成，而L1和L2的直接交叉相關(guān)用來分辨載波測(cè)量中的半周期的模糊性。L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤和L1載波跟蹤的完成方式與圖14A和14B中的實(shí)施例相同。
具體而言，與L1和L2編碼跟蹤有關(guān)的接收機(jī)部分和與L1載波跟蹤有關(guān)的接收機(jī)部分具有與圖14A和14B相同的部件，在圖15A和15B中相同的部件采用相同的標(biāo)號(hào)?，F(xiàn)在描述圖15A和15B與圖14A和14B不同的部分。
通過從加密間隔求和電路202’中導(dǎo)出停頓I和Q輸出并將這些輸出施加到復(fù)數(shù)平方電路220上完成了L2載波跟蹤。該電路實(shí)現(xiàn)的函數(shù)是(I+jQ)2，即I2-Q2+j2IQ。復(fù)數(shù)平方的處理結(jié)果輸入另一個(gè)求和電路222，該電路在1毫秒的時(shí)間間隔上積分I和Q信號(hào)。求和電路222的輸出輸入向L2載波NCO176’反饋控制信號(hào)的輔助鎖相環(huán)路誤差計(jì)算224。與圖14B的輔助鎖相環(huán)路誤差計(jì)算216一樣，圖15B的輔助鎖相環(huán)路誤差計(jì)算224利用C/A編碼導(dǎo)出的L1測(cè)量相關(guān)的高信噪比的優(yōu)點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)了L2測(cè)量的跟蹤帶寬比其他方法更窄的。
如圖15B所示，分辨L2載波的半周期模糊性所需的部件包括用于L1信號(hào)的移位寄存器230、兩個(gè)附加的求和電路232和234、交叉相關(guān)電路236、另一個(gè)求和電路238和極性檢測(cè)器240。移位寄存器230接收來自線路164上的L1信號(hào)和線路178上頻率為8F的時(shí)鐘頻率。移位寄存器230中L1信號(hào)延遲量分別由P編碼器166和166’在線路239和239’上接收的定時(shí)信號(hào)確定。這些定時(shí)信號(hào)稱為P編碼器的X1A epoch，而它們之間的差表示L2信號(hào)相對(duì)L1信號(hào)的電離層延遲。如圖15B所示，移位寄存器為16階。在40MHz的時(shí)鐘頻率處，每階相當(dāng)于25納秒的時(shí)間延遲而整個(gè)寄存器可以疊加0.4微秒的延遲，這足以補(bǔ)償最大的電離層延遲。因此，移位寄存器有效地補(bǔ)償了L1與L2之間的差分電離層延遲并有效地產(chǎn)生了接下來由求和電路232和234在P編碼極性過渡限定的可變間隔上積分的合成L1和L2信號(hào)。(該技術(shù)利用了P編碼極性過渡不會(huì)發(fā)生于每個(gè)P編碼時(shí)隙的優(yōu)點(diǎn)提高了3dB的交叉相關(guān)的信噪比。)輸入求和電路234的L2信號(hào)由L2I和Q線路164’導(dǎo)出。積分的L1和L2信號(hào)隨后在電路236中相關(guān)，并且相關(guān)的結(jié)果在求和電路238中以1毫秒的間隔積分。極性檢測(cè)器240提供了用來分辨L2相位測(cè)量中固有半周期模糊性的二進(jìn)制信號(hào)，這將在下面詳細(xì)描述。
總之，圖15A和15B所示的實(shí)施例采用L2信號(hào)的復(fù)數(shù)平方進(jìn)行相位測(cè)量，利用了比直接交叉相關(guān)獲得的更高的信噪比。然后，為了分辨在L2相位測(cè)量中相對(duì)于L1測(cè)量相位的半周期模糊性而采用直接交叉相關(guān)。
極性檢測(cè)器圖15B中極性檢測(cè)器240和圖16B中相似的部件提供了分辨通常平方信號(hào)中半周期模糊性的方便方法。極性檢測(cè)器240的輸出具有0度或180度的相位并加入施加在載波NCO176’上的輸入信號(hào)。同時(shí)進(jìn)行L1和L2信道上的載波測(cè)量。在L1信道上測(cè)量的是L1的相位。如果允許進(jìn)行編碼輔助平方(以去除加密效果)，則L2信道上測(cè)量的是雙頻載波(2L2)的相位。由于所需的量是L2載波的相位，所以后者的測(cè)量必需一分為二。因此，最終的L2載波測(cè)量的范圍只有0-180度。即，只有半周期的模糊性。通過將兩個(gè)相位測(cè)量(L1相位和2L2/2相位)與極性檢測(cè)器的輸出比較，可以導(dǎo)出2L2/2相位正確的半周期，這時(shí)由于極性檢測(cè)器提供了對(duì)L1和L2之間相對(duì)相位的測(cè)量。因此，L2信道的測(cè)量即使平方了L2信號(hào)也可以報(bào)告為全周期的分辨率。
只在極性檢測(cè)中采用交叉相關(guān)器210的輸出在直接交叉相關(guān)(圖15A和15B)和P編碼輔助交叉相關(guān)(圖16A和16B將在下面討論)二方法中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在直接交叉相關(guān)中，從P編碼輔助平方信道中測(cè)量的相位的噪聲明顯低于交叉相關(guān)信道的噪聲。在P編碼輔助交叉相關(guān)中，從P編碼輔助平方信道中測(cè)量的相位的噪聲比P編碼輔助交叉相關(guān)信道中測(cè)量的噪聲低3dB。
采用編碼輔助交叉相關(guān)的其他實(shí)施例圖16A和16B示出了對(duì)本發(fā)明系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)。如圖15A和15B的實(shí)施例所示，L2載波跟蹤和相位測(cè)量由L2信號(hào)的復(fù)數(shù)平方完成，而L1和L2的編碼輔助交叉相關(guān)用來分辨載波測(cè)量中的半周期的模糊性。L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤和L1載波跟蹤的完成方式與圖14A和14B中的實(shí)施例相同。
具體而言，與L1和L2編碼跟蹤有關(guān)的接收機(jī)部分和與L1載波跟蹤有關(guān)的接收機(jī)部分具有與圖14A和14B相同的部件，在圖16A和16B中相同的部件采用相同的標(biāo)號(hào)。
通過從加密間隔求和電路202’中導(dǎo)出停頓I和Q輸出并將這些輸出施加到復(fù)數(shù)平方電路220上完成了L2載波跟蹤。該電路實(shí)現(xiàn)的函數(shù)是(I+jQ)2，即I2-Q2+j2IQ。復(fù)數(shù)平方的處理結(jié)果輸入另一個(gè)求和電路222，該電路在1毫秒的時(shí)間間隔上積分I和Q信號(hào)。求和電路222的輸出輸入向L2載波NCO176’反饋控制信號(hào)的輔助鎖相環(huán)路誤差計(jì)算224如圖16B所示，分辨L2載波的半周期模糊性所需的部件與圖14B的相同，即交叉相關(guān)器210、求和電路214和極性檢測(cè)器240。交叉相關(guān)器210接收P編碼輔助L1和L2輸入而求和電路214產(chǎn)生用于極性檢測(cè)器240的(L1-L2)輸出信號(hào)。極性檢測(cè)器提供了確定(L2)2載波極性的相位信息，即可以分辨平方載波信號(hào)的半周期模糊性。
總之，圖16A和16B所示的實(shí)施例采用L2信號(hào)的復(fù)數(shù)平方進(jìn)行相位測(cè)量，利用了比直接交叉相關(guān)獲得的更高的信噪比。然后，為了分辨L2相位測(cè)量中的周期模糊性采用編碼輔助交叉相關(guān)。
結(jié)論由前述可以看到，本發(fā)明代表了GPS接收機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。與前述美國(guó)專利No.4,972,431的情況一樣，說明書所揭示的技術(shù)使得全體GPS用戶從恢復(fù)L2載波信號(hào)相位中獲得的好處是較發(fā)射前加密P編碼信號(hào)的性能更好。
如同在已有技術(shù)的那樣，本發(fā)明的技術(shù)并沒有繞過P編碼加密。加密的目的是“反欺騙”的措施。那些負(fù)責(zé)管理GPS機(jī)構(gòu)主要關(guān)心的問題之一是某些人可以產(chǎn)生與正確的信號(hào)相同格式的偽信號(hào)，因?yàn)樗鼈儼l(fā)源于其他地點(diǎn)并包含其他錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，這項(xiàng)信號(hào)將欺騙軍事用戶，給它們錯(cuò)誤的位置信息。P編碼信號(hào)的加密有效地防止了這種未授權(quán)行為。本發(fā)明提供了一種技術(shù)，使得系統(tǒng)的非軍事用戶對(duì)L1和L2信號(hào)比較滿意但不會(huì)受加密的“反欺騙”的影響。本發(fā)明允許系統(tǒng)的被動(dòng)用戶在允許P編碼加密時(shí)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的勘查設(shè)備性能，但是本發(fā)明無法對(duì)P編碼信號(hào)進(jìn)行解密并且無助于任何人尋找產(chǎn)生的偽信號(hào)。
為了避免不必要的復(fù)雜性，在說明書中省略了GPS接收機(jī)的普通特征。例如，如前述專利中所述的當(dāng)P編碼未加密時(shí)，需要并行接收機(jī)路徑。而且，需要多個(gè)L1/L2接收機(jī)信道來處理同時(shí)來自多顆衛(wèi)星的信號(hào)，如前面專利所述。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。特別是一個(gè)實(shí)施例涉及的是在以優(yōu)化線性方式交叉相關(guān)L1和L2信號(hào)的接收機(jī)中P編碼相關(guān)之后采用加密速率帶通濾波器，因此提高了信噪比。一些揭示的數(shù)字實(shí)施例采用加密間隔下L1和L2信號(hào)的數(shù)字交叉相關(guān)和數(shù)字平方，并提供超過模擬平方和交叉相關(guān)的優(yōu)越性。
雖然本發(fā)明可以作各種修改、改動(dòng)，但是本發(fā)明的范圍由后面所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，它生成頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱作P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本；使包含加密P編碼序列的每個(gè)接收的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本相關(guān)以獲得具有包含表示接收的加密P編碼序列與本地產(chǎn)生的P編碼序列之間定時(shí)關(guān)系的峰值的頻譜的兩個(gè)最終信號(hào)；對(duì)來自相關(guān)步驟的每個(gè)最終信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；在帶通濾波之后對(duì)最終的信號(hào)進(jìn)行交叉相關(guān)以獲得頻率等于(L1-L2)并具有較好信噪比的最終信號(hào)；以及對(duì)產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟進(jìn)行控制以使頻譜的峰值最大。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于控制P編碼序列副本產(chǎn)生的副本包括獲得表示衛(wèi)星偽范圍的定時(shí)信息。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于帶通濾波相關(guān)步驟結(jié)果的步驟是在帶寬為±fnull/2的頻譜內(nèi)進(jìn)行的，這里±fnull定義了頻譜內(nèi)一級(jí)零點(diǎn)的位置。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于帶通濾波相關(guān)步驟結(jié)果的步驟是在介于10兆赫與25千赫之間的帶寬內(nèi)進(jìn)行的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于帶通濾波相關(guān)步驟結(jié)果的步驟是在500千赫左右的帶寬內(nèi)進(jìn)行的。
6.對(duì)于在全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)中使用的加強(qiáng)精度導(dǎo)出(L1-L2)載波信號(hào)的裝置，其特征在于包括接收天線，用于接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的GPS L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含作為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；兩個(gè)P編碼發(fā)生器，用于獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本；兩個(gè)相關(guān)器電路，用于使包含加密P編碼序列的每個(gè)接收的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本相關(guān)；兩個(gè)帶通濾波器，用于對(duì)來自相關(guān)電路的每個(gè)最終信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；交叉相關(guān)器電路，用于對(duì)相關(guān)和經(jīng)過濾波的信號(hào)進(jìn)行交叉相關(guān)以獲得頻率等于(L1-L2)并具有較好信噪比的最終信號(hào)。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包含電路，用于產(chǎn)生P編碼定時(shí)控制信號(hào)以調(diào)整L1和L2的P編碼發(fā)生器的時(shí)序。
8.一種處理全球定位系統(tǒng)(GPS)中接收的信號(hào)的方法，它恢復(fù)經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L2載波信號(hào)，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本，副本包含同相和正交成份；使接收到的數(shù)字形式的加密P編碼序列與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本的同相(I)和正交(Q)成份相關(guān)以獲得相關(guān)加密和未加密P編碼信號(hào)的一系列I和Q樣本；在前面由加密時(shí)間周期確定的時(shí)間周期內(nèi)積分I和Q樣本以獲得相繼的I和Q值；以及數(shù)字平方由積分步驟獲得的I和Q數(shù)值以獲得與加密無關(guān)的I和Q值。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟采用前后編碼誤差信號(hào)以控制產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟。
10.對(duì)于在全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)中使用的用于導(dǎo)出加強(qiáng)精度的L2載波信號(hào)的裝置，其特征在于包括接收天線，用于接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的GPS信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將所有接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；數(shù)字P碼發(fā)生器，用于獨(dú)立地產(chǎn)生包含同相(I)和正交(Q)成份的P編碼偽隨機(jī)編碼序列的數(shù)字副本；數(shù)字相關(guān)器電路，用于使接收的加密P編碼序列與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本的同相(I)和正交(Q)成份相關(guān)；兩個(gè)積分和轉(zhuǎn)儲(chǔ)電路，用于在對(duì)應(yīng)前面確定的加密P編碼信號(hào)的加密間隔的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生的相繼I和Q數(shù)值；以及數(shù)字平方電路，用于平方由相繼的I和Q數(shù)值表示的相關(guān)信號(hào)以獲得信噪比較高的L2載波信號(hào)。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于進(jìn)一步包含數(shù)字信號(hào)處理電路，包括矢量點(diǎn)積電路，用來產(chǎn)生控制信號(hào)以調(diào)整數(shù)字P編碼生成器定時(shí)從而使L2載波信號(hào)的輸出最大并獲得表示每顆衛(wèi)星偽范圍的信號(hào)。
12.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，它生成頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列L1和L2的分離的數(shù)字副本，副本包含同相(I)和正交(Q)成份；使接收的包含加密P編碼序列的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本的I和Q成份相關(guān)以獲得兩個(gè)與L1有關(guān)的最終的I和Q信號(hào)以及兩個(gè)與L2有關(guān)的最終的I和Q信號(hào)；在加密時(shí)間間隔內(nèi)分別積分兩對(duì)最終的信號(hào)以獲得對(duì)應(yīng)接收的L1信號(hào)的I1和Q1信號(hào)以及對(duì)應(yīng)接收的L2信號(hào)的12和Q2信號(hào)；對(duì)最終的I1/Q1和12/Q2信號(hào)進(jìn)行數(shù)字交叉相關(guān)以獲得頻率等于(L1-L2)并具有較好信噪比的最終信號(hào)；以及控制數(shù)字產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟以保持與接收的P編碼序列同步。
13.一種處理全球定位系統(tǒng)(GPS)中接收的信號(hào)的裝置，它生成頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，其特征在于包含天線裝置，用于接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；用于將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的裝置；用于獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列L1和L2的分離的數(shù)字副本的裝置，副本包含同相(I)和正交(Q)成份；用于使接收的包含加密P編碼序列的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本的I和Q成份相關(guān)的裝置，從而獲得兩個(gè)與L1有關(guān)的最終的I和Q信號(hào)以及兩個(gè)與L2有關(guān)的最終的I和Q信號(hào)；用于在加密時(shí)間間隔內(nèi)分別積分兩對(duì)最終的信號(hào)以獲得對(duì)應(yīng)接收的L1信號(hào)的I1和Q1信號(hào)以及對(duì)應(yīng)接收的L2信號(hào)的12和Q2信號(hào)的裝置；對(duì)最終的I1/Q1和12/Q2信號(hào)進(jìn)行數(shù)字交叉相關(guān)以獲得頻率等于(L1-L2)并具有較好信噪比的最終信號(hào)的裝置；以及用于控制數(shù)字式產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟以保持與接收的P編碼序列同步的裝置。
14.一種檢測(cè)和補(bǔ)償接收到的全球定位系統(tǒng)(GPS)P編碼信號(hào)中的跟蹤誤差的方法，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；通過使接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列相關(guān)導(dǎo)出包含成份I和Q的數(shù)字載波信號(hào)；產(chǎn)生數(shù)字P編碼前后信號(hào)，它表示接收的P編碼信號(hào)的相對(duì)定時(shí)，并包含同相和正交成份；使接收到的數(shù)字形式的加密P編碼序列與數(shù)字P編碼前后信號(hào)的同相和正交成份數(shù)字相關(guān)以從數(shù)字相關(guān)的結(jié)果中獲得一系列同相和正交樣本；在前面確定為加密時(shí)間間隔的時(shí)間間隔內(nèi)積分同相和正交樣本以獲得相繼的I前后(IEL)和Q前后(QEL)數(shù)值；數(shù)字計(jì)算由IEL和QIEL定義的P編碼前后信號(hào)與I和Q定義的載波信號(hào)的矢量點(diǎn)積以獲得P編碼跟蹤誤差信號(hào)；以及控制產(chǎn)生P編碼前后信號(hào)的步驟以使P編碼跟蹤誤差為零。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于計(jì)算矢量點(diǎn)積的步驟包括計(jì)算量(I.IEL＋Q.QEL)。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于相對(duì)于接收的L1 GPS信號(hào)完成各步驟；以及所述方法進(jìn)一步包含一系列相對(duì)于接收的L2 GPS信號(hào)完成的同樣步驟。
17.用于檢測(cè)和補(bǔ)償接收的全球定位系統(tǒng)(GPS)中的跟蹤誤差的裝置，其特征在于包含天線裝置，用于接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；用于將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的裝置；用于通過使接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列相關(guān)導(dǎo)出包含成份I和Q的數(shù)字載波信號(hào)的裝置；用于產(chǎn)生數(shù)字P編碼前后信號(hào)的裝置，所述信號(hào)表示接收的P編碼信號(hào)的相對(duì)時(shí)序；用于將數(shù)字P編碼前后信號(hào)分解為同相和正交成份的裝置；用于使接收到的數(shù)字形式的加密P編碼序列與數(shù)字P編碼前后信號(hào)的同相和正交成份數(shù)字相關(guān)以從數(shù)字相關(guān)的結(jié)果中獲得一系列的同相和正交樣本的裝置；用于在前面確定為加密時(shí)間間隔的時(shí)間間隔內(nèi)積分同相和正交樣本以獲得相繼的I前后(IEL)和Q前后(QEL)數(shù)值的裝置；用于數(shù)字計(jì)算由IEL和QIEL定義的P編碼前后信號(hào)與I和Q定義的載波信號(hào)的矢量點(diǎn)積以獲得P編碼跟蹤誤差信號(hào)的裝置；以及用于控制產(chǎn)生P編碼前后信號(hào)的步驟以使P編碼跟蹤誤差為零的裝置。
18.一種用于檢測(cè)和補(bǔ)償接收的全球定位系統(tǒng)(GPS)中的跟蹤誤差的方法，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列和另一種稱為C/A編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；通過使接收的信號(hào)與本地產(chǎn)生的C/A編碼序列相關(guān)導(dǎo)出包含成份I和Q的數(shù)字載波信號(hào)；采用載波跟蹤環(huán)路跟蹤載波信號(hào)，從而在采用載波跟蹤的C/A編碼時(shí)提高了載波信噪比；以及借助P編碼跟蹤環(huán)路控制C/A編碼的定時(shí)。
19.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，它生成頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)編碼序列的L1和L2分離的數(shù)字副本，它包含同相(I)和正交(Q)成份；產(chǎn)生C/A編碼序列的副本；使C/A編碼序列的副本與接收的L1信號(hào)相關(guān)以使載波跟蹤L1信號(hào)；使P編碼序列的副本分別與接收的L1和L2信號(hào)相關(guān)以提供L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤；使得從相關(guān)獲得的I1/Q1和12/Q2信號(hào)與P編碼序列的副本數(shù)字交叉相關(guān)以獲得頻率為(L1-L2)并具有較高信噪比的載波信號(hào)；以及通過將取自交叉相關(guān)步驟的(L1-L2)載波信號(hào)與取自L1載波跟蹤的L1載波信號(hào)組合對(duì)L2信號(hào)進(jìn)行載波跟蹤。
20.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，它生成頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列的加密形式；將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；獨(dú)立地產(chǎn)生未加密的P編碼偽隨機(jī)碼序列的L1和L2分離的數(shù)字副本，它包含同相(I)和正交(Q)成份；產(chǎn)生C/A編碼序列的副本；使C/A編碼序列的副本與接收的L1信號(hào)相關(guān)以使載波跟蹤L1信號(hào)；使P編碼序列的副本分別與接收的L1和L2信號(hào)相關(guān)以提供L1和L2信號(hào)的載波跟蹤；數(shù)字平方相關(guān)的L2信號(hào)以提供信噪比相對(duì)較高的L2相位測(cè)量；以及使相關(guān)的L1和L2信號(hào)數(shù)字交叉相關(guān)以分辨由數(shù)字平方獲得的L2相位測(cè)量中的半周期模糊性。
21.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，由于采用了頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，所以提高了處理速度，其特征在于包含以下步驟本地產(chǎn)生兩個(gè)分離的P編碼副本；采用P編碼副本來分別輔助L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤；本地產(chǎn)生C/A編碼副本；采用C/A編碼副本來跟蹤L1載波信號(hào)；交叉相關(guān)L1和L2信號(hào)以獲得信噪比高于分別用于分辨全周期模糊性的二個(gè)載波之一的信噪比；以及采用(L1-L2)信號(hào)來跟蹤L2載波信號(hào)。
22.一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，由于采用了頻率等于經(jīng)過加密P編碼信號(hào)調(diào)制的L1與L2載波信號(hào)之差的載波差信號(hào)，所以提高了處理速度，其特征在于包含以下步驟本地產(chǎn)生兩個(gè)分離的P編碼副本；采用P編碼副本來輔助在分離的跟蹤環(huán)路中的L1和L2信號(hào)的編碼跟蹤；本地產(chǎn)生C/A編碼副本；采用C/A編碼副本來跟蹤L1載波信號(hào)；平方L2載波信號(hào)以消除加密P編碼信號(hào)的影響并獲得頻率為2L2的信號(hào)，其中L2信號(hào)的相位由2L2相位的一分為二獲得；交叉相關(guān)L1和L2載波信號(hào)以獲得L1-L2差信號(hào)；從L1-L2差信號(hào)導(dǎo)出極性信號(hào)，由此可以確定L2相位測(cè)量的半周期模糊性。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于交叉相關(guān)步驟是其中一個(gè)L1和L2載波信號(hào)的直接交叉相關(guān)；以及所述方法進(jìn)一步包括在L1和L2交叉相關(guān)之前采用從L1和L2的分離編碼跟蹤環(huán)路導(dǎo)出的定時(shí)信息調(diào)整L1相對(duì)L2的相位的步驟。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于通過在多階移位寄存器中移位L1和L2載波信號(hào)中的一個(gè)以提供可變的延遲并在分離跟蹤環(huán)路的定時(shí)信號(hào)下控制延遲量來完成調(diào)整L1相對(duì)L2相位的步驟。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于交叉相關(guān)步驟是其中一個(gè)編碼輔助交叉相關(guān)，其中交叉相關(guān)的L1和L2信號(hào)由L1和L2的分離的編碼跟蹤環(huán)路導(dǎo)出。
26.一種用于檢測(cè)和補(bǔ)償接收的全球定位系統(tǒng)(GPS)中的跟蹤誤差的方法，其特征在于包含以下步驟接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)，該信號(hào)包含稱為P編碼的偽隨機(jī)碼序列，它可能是加密形式，以及另一種稱為C/A編碼的偽隨機(jī)碼序列，其時(shí)序與P編碼相干的；通過使接收的信號(hào)與本地C/A編碼發(fā)生器提供的C/A編碼序列相關(guān)導(dǎo)出包含成份I和Q的數(shù)字載波信號(hào)；采用包含本地C/A編碼發(fā)生器的載波跟蹤環(huán)路來跟蹤接收的載波信號(hào)，從而在采用載波跟蹤的C/A編碼時(shí)提供了高于采用P編碼進(jìn)行載波跟蹤時(shí)的信噪比的載波信號(hào)；用包含本地P編碼發(fā)生器的載波跟蹤環(huán)路來跟蹤接收的P編碼序列，從而在采用P編碼時(shí)由于P編碼序列變化更快并且精度編碼更高所以提供了更好的編碼跟蹤；以及在來自P編碼跟蹤環(huán)路的信號(hào)下控制C/A編碼發(fā)生器的C/A編碼的定時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種處理全球定位系統(tǒng)中接收的信號(hào)的方法，它包含的步驟有接收多顆衛(wèi)星中的每一顆發(fā)射的L1和L2信號(hào)；獨(dú)立地產(chǎn)生P編碼偽隨機(jī)碼序列的副本；使包含加密P編碼序列的每個(gè)接收的L1和L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P編碼序列副本相關(guān)；對(duì)來自相關(guān)步驟的每個(gè)最終信號(hào)進(jìn)行帶通濾波；在帶通濾波之后對(duì)最終的信號(hào)進(jìn)行交叉相關(guān)以獲得頻率等于(L1-L2)并具有較好信噪比的最終信號(hào)，對(duì)產(chǎn)生P編碼序列副本的步驟進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1149361SQ95192875
公開日1997年5月7日 申請(qǐng)日期1995年4月24日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月2日
發(fā)明者C·R·坎恩, R·G·基岡, J·E·奈特, T·A·斯坦瑟爾 申請(qǐng)人:He控股股份有限公司以休斯電子的名義營(yíng)業(yè)