於衛星導航接收器中抑制多重路徑誤差的方法與裝置的製作方法

2023-09-15 08:19:30

專利名稱：於衛星導航接收器中抑制多重路徑誤差的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明關於一種衛星無線導航，特別是關於一種在全球導航衛星系統 (GlobalNavigating Satellite System, GNSS)的導航接收器中求得多重路徑情況下的準距離(pseudo-range)與準速度(pseudo-velocity)的方法與裝置。
背景技術：
目前，世界上已經存在數種全球導航衛星系統。已上線運作的系統有美國的全球定位系統(GlcAal Positioning System, GPS)，俄羅斯的全球導航衛星系統(Global Navigating Satellite System，GL0NASS)，歐洲太空總署建構中的伽利略(Galileo)系統， 以及中國的北鬥系統。本發明可應用於上述或其他全球導航衛星系統的導航接收器。在都市高樓形成的峽谷中，會導致導航接收器頻繁地失去與衛星間的視線 (line-of-sight)路徑，接收信號的功率也因此而變弱或消失。在此類情況下，傳統中利用延遲鎖定迴路與頻率鎖定迴路的閉迴路(close-loop)自動信號追蹤常會受到幹擾。以開迴路(open-loop)追蹤衛星信號的方法，如美國專利US6633255「Open-Loop Tracking」，則可描述如下針對每一衛星，根據導航解計算延遲預測與都卜勒頻率測量； 形成一二維(兩維度分別為延遲與都卜勒頻率)功率網格(power grid)，使其中心由預測值定義；針對前述預測求得修正值，並以修正值與預測值的加總作為延遲與都卜勒頻率的測量值。此種追蹤技術可確保低訊雜比下的運作。當導航解存在時，在開迴路追蹤技術中失去部份衛星的信號並不會造成重大影響；也就是說，測量仍需建立於至少三到四個衛星。來自直接路徑與反射路徑的信號會導致延遲與都卜勒頻率的誤差。圖1示意多重路徑信號傳播影響測量的例子如圖Ia所示，針對一個靜止的接收器，或是一個沿著與反射面平行方向移動的接收器，只會發生延遲測量誤差，因為由直接路徑與反射路徑至同一衛星的距離變化率是相同的。如圖Ib所示，若接收器沿指向反射面的方向移動，延遲測量的誤差會被加總至多普勒頻率測量的誤差，因為由直接路徑與反射路徑至同一衛星的距離變化率會是相異的。已有一些方法用以在反射路徑存在的情況下降低準距離測量的誤差，如運用窄相關(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.)、根據準亂數序列(pseudo-random sequence, PRN)的信號副本計算自相關函數(autocorrelationfunction, ACF)的選通方法(美國專利US7436356，申請日 2006年3月M日)，基於自相關函數的前緣計算跨越前緣與後緣片段並對自相關函數取樣加以權重的方法(美國專利US7436356，申請日2006年3月M日)。這些方法可實現於低成本、大量生產的接收器中以降低準距離的誤差，但精確度卻不夠高。此外，也有些減輕多重路徑的方法是針對多重路徑的信號進行最佳化運算，以運用最大概度(maximum likelihood)測量直接與反射路徑的信號參數。估計最佳值並將反射信號由接收器排除即可實現反射信號的抑制。這些方法應用在高成本的大地接收器，需要昂貴的硬體才能實現。以適應性天線陣列抑制反射路徑信號的技術需要多個接收天線，也需要對這些天線接收的信號進行額外的處理，增加消費設備的複雜程度。與本發明相近的解決方案見於美國專利US6031881，公開於2000年2月2日。此技術的缺點包括必須儲存輸入信號的取樣值，必須以高頻執行量化(針對GPS，其取樣率需達20MHz)，也必須對取樣值進行即時(real-time)處理。因此，必須具備高容量存儲器與高速信號處理才能實現此種技術。此習知技術的另一缺點是受限的累積時間。累積時間受限的原因是接收信號會被發送信號中導航訊息的未知數據位元所調變(在GPS與GL0NASS中是每間隔20ms發生)， 使接收的載波信號功率C與雜訊功率NO間的比率會有下限的限制；在IHz頻帶中，此比率 C/N0 需大於 30dB Hz。

發明內容
本發明的目的之一是消除多重路徑對延遲與都卜勒頻率測量的影響，並提出一種能有效應用於弱信號且在實現時不需龐大運算能量的方法。重要技術特徵有提供位元同步下形成的累積功率網格，建立概度函數排除幹擾因素以抑制多重路徑誤差。本發明解決方案如下。本發明可為一種於衛星導航接收器(簡稱接收器)中抑制多重路徑誤差的方法， 衛星導航接收器包含搜尋多顆導航衛星的信號、由各衛星接收並處理復變信號(complex signal)、以一追隨開迴路追蹤信號並基於直接信號與反射信號的延遲與都卜勒頻率測量值決定該衛星導航接收器的坐標、速度與準確時間的步驟，依據下列描述根據多個導航參數計算延遲與都卜勒頻率的預測值以根據延遲與都卜勒頻率定向一二維的累積功率網格，此累積功率網格系依據對復變信號的接收與處理所形成，而該些導航參數包括接收器的坐標、速度、準確時間，以及根據測量到的時間與接收到的衛星星曆所求得的衛星運動信息。在形成累積功率網格的各元素時，本發明會在一同調累積時段中進行復變信號加總，此一同調累積時段同步於一給定衛星的數據位元，同調累積時段長短符合一位元長度。基於對累積功率網格的處理，包括對累積功率網格的中心化，即可為延遲與都卜勒頻率的預測值計算修正值，並計算預測值與修正值的加總以作為延遲與都卜勒頻率的測量值。然後，便可對測量值外插一預設時間並計算出準距離與準速度的測量值，並根據對所有衛星所求得的測量值決定接收器的坐標與速度。在計算延遲與都卜勒頻率的修正值時，包含利用中心化的累積功率網格計算單一路徑的修正值；判斷多重路徑是否發生，若為肯定的，則利用多個權重改進該修正值。利用該些權重改進修正值時，系基於一中心化的累積功率向量形成一概度函數，並根據概度函數的全域極大值改進修正值。在第一實施例中，在基於中心化的累積功率向量形成概度函數時，包含下列子步驟利用多個權重向量而為每一累積功率向量計算多個加權總和，使這些權重向量對應直接信號與反射信號的延遲預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣；並根據前述兩子步驟的結果計算出二次形式的概度函數。
在第二實施例中，當基於中心化的累積功率向量形成概度函數時，包含下列子步驟針對每一累積功率向量，利用多個取決於直接信號與反射信號延遲的標準正交向量計算多個加權總和，並計算這多個加權總和的平方總和以求出概度函數。為降低都卜勒頻率測量誤差所形成的概度函數可同理類推。在第一例中，形成概度函數包含下列子步驟利用多個權重向量而為每一累積功率向量計算多個加權總和，使這些權重向量對應直接信號與反射信號的都卜勒頻率預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣；並根據前述兩子步驟的結果計算出二次形式的概度函數。在第二例中，形成概度函數包含下列子步驟針對每一累積功率向量，利用多個取決於直接信號與反射信號都卜勒頻率的標準正交向量計算多個加權總和，並計算這多個加權總和的平方總和以求出概度函數。為讓本發明的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例， 並配合附圖，作詳細說明如下。


圖1示意的是多重路徑傳播中的各種幹擾，圖Ia中只有延遲幹擾，圖Ib中則有延遲幹擾與都卜勒頻率漂移。圖2繪出的方塊圖示意的是以一開迴路系統進行追蹤的衛星導航接收器。圖3示意的是在累積功率網格中形成一解析單位(bin)的流程。圖4舉例說明在一多重路徑信號接收下所形成的二維累積功率網格。圖5示意中心化前後的累積功率網格，對應都卜勒頻率下最大信號功率。圖6示意累積功率網格的中心化流程。圖7示意測量值計算的流程以消除多重路徑影響。圖8示意修正值計算流程的一種實施例，其是以信號向量Sij = Q-l72Pij及反矩陣 (SijlSij)-1消除多重路徑的影響。圖9示意修正值計算流程的一種實施例，其是利用標準正交向量V"削減多重路徑的影響。圖10舉例說明一多重路徑信號的概度函數y( τ 0, τ J。圖11示意概度函數y( τ 0, τ 的投影以及直接與反射路徑的延遲估計。圖12示意的是本發明針對直接路徑信號延遲計算所得的估計誤差。圖13示意的是依據窄相關而對直接路徑信號延遲計算所得的估計誤差。
圖14示意的是依據選通相關而對直接路徑信號延遲計算所得的估計誤差。圖15比較本發明與窄相關技術的準距離估計誤差。圖16示意窄相關技術下的坐標測量誤差。圖17示意本發明的坐標測量誤差。主要元件符號說明1模擬部份2 數字VLSI電路3程式化處理器
2. 1 天線2. 2-2. 9、3. 1-3. 5、6. 1-6. 2、7. 1-7. 6、8. 1-8. 7、9. 1-9. 6 步驟
具體實施例方式以下揭露本發明的一種實施例。圖2的方塊圖示意一種以開迴路系統進行追蹤的全球導航衛星系統接收器(亦稱為導航接收器或接收器)。在此導航接收器中，信號處理分成模擬(單元1)與數字(單元2與幻兩部份。 在數位訊號處理中，有一部分需要高速計算，但不需處理複雜演算法，可由一數字極大尺度 (digital very large scale)集成電路(下稱數字VLSI電路)2來進行。另一部份需動用複雜演算法但只需低速計算，則可由一程式化處理器3來執行。射頻無線電電磁波信號由一天線(2. 1)接收、轉換為電子信號並放大。然後，步驟2. 2進行模擬射頻轉換，也就是將射頻轉換為中頻，並在時間軸上進行模擬信號的離散取樣，亦對信號電平進行量化。步驟2. 3用一振蕩器取得一參考頻率，用以進行射頻轉換與離散取樣。然後，在步驟2. 4，數位訊號會以頻率降轉(frequencydownconversion)的方式進行數字轉移。為達此目的，數位訊號被轉移至一預設頻帶頻譜界定下最接近頻率0的位置，並依據奈奎斯頻率(Nyquist frequency)降轉。此信號XUi)是一數字復變信號，其數字內容量有限，對存儲器資源的角度來說十分經濟。此信號中疊加性的混合了從各衛星接收到的信號與雜訊。接下來，此復變信號X(、)會被用於步驟2. 5，以形成並中心化一累積功率網格Z(亦稱為網格或功率網格)。此外，延遲與都卜勒頻率預測值P= (Tp，fp)T(P為預測值向量，τ ρ為延遲的預測值，fp則是都卜勒頻率的預測值)、網格中各元素相對於預測值的延遲偏移量{Δ τη}與都卜勒頻率偏移量{Δ ^}都會被用於網格的形成。然後，在步驟2. 6中，基於中心化的累積功率網格Ζ，便可計算延遲與都卜勒頻率 (相對於預測值)的修正值ΔΦ = (Δ τρ，Afp)T，其中，Δ τ ρ為延遲的修正值，Δ fp則為都卜勒頻率的修正值。在步驟2. 7中，前述求出的修正值會和延遲與都卜勒頻率的預測值加總，以求出延遲與都卜勒頻率的測量值Φ =Ρ+ΔΦ ；其中，Φ = (bf)T即是由延遲τ與都卜勒頻率f的測量值所形成的測量值向量。將上述求出的測量值Φ與衛星軌跡及速度(衛星星曆)綜合在一起，便能在步驟 2.8中決定接收器的位置、速度與時間(譬如說是根據延遲與都卜勒頻率測量值而以標準的方法計算出準距離與準速度)。根據求出的坐標、速度與時間，以及衛星軌跡及速度的數據，就可在步驟2. 9中計算延遲與都卜勒頻率的預測值P。步驟2. 3與2. 4可於模擬部份1中進行，步驟2. 4與2. 5在數字VLSI電路2中進行，步驟2. 6至2. 9則由程式化處理器3進行。當IHz頻帶中的載波功率與雜訊功率C/X > IOdB Hz (C為載波功率，Ntl為雜訊功率)，本發明開迴路追蹤技術可確保弱信號下的安全運作。在累積功率網格中為足標η與k形成一解析單位(bin)的流程圖示於圖3 (η代表延遲的解析單位足標，k代表都卜勒頻率的解析單位足標)。在步驟3. 1中，一字碼混合器(code mixer)將復變信號取樣值乘上一字碼的實數副本值
權利要求
1.一種於衛星導航接收器中抑制多重路徑誤差的方法，包含搜尋多個導航衛星的信號、由各該衛星接收並處理復變信號、以一追隨開迴路追蹤信號並基於直接信號與反射信號的延遲與都卜勒頻率測量值決定該衛星導航接收器的一坐標、一速度與一準確時間的步驟，該方法包含根據多個導航參數計算該延遲與該都卜勒頻率的預測值以根據該延遲與該都卜勒頻率定向一二維的累積功率網格，該累積功率網格是依據該接收與處理的該復變信號所形成，而該些導航參數包括該坐標、該速度、該準確時間，以及根據測量到的時間與接收到的衛星星曆求得的衛星運動信息；其中，在形成該累積功率網格的各元素時，在一同調累積時段中進行復變信號加總，該同調累積時段同步於一給定衛星的數據位元，該同調累積時段長短符合一位元長度；以及基於該累積功率網格的處理，包括該累積功率網格的中心化，為該延遲與該都卜勒頻率的該預測值計算修正值，並計算該預測值與該修正值的加總以作為該延遲與該都卜勒頻率的測量值，再對該測量值外插一預設時間並計算準距離與準速度的測量值，並根據對所有衛星所求得的該測量值決定該衛星導航接收器的該坐標與該速度； 其中，計算該延遲與該都卜勒頻率的該修正值時，包含 利用該中心化的該累積功率網格計算單一路徑的修正值； 決定多重路徑是否發生；以及若為肯定的，則利用多個權重改進該修正值；其中，當利用該些權重改進該修正值時，基於一中心化的累積功率向量形成一概度函數，並根據該概度函數的全域極大值改進該修正值。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數的步驟包含下列子步驟利用多個權重向量而為每一該累積功率向量計算多個加權總和，該些權重向量對應該直接信號與該反射信號的該延遲的該預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣；以及根據前述兩子步驟的結果計算該概度函數，使該概度函數呈一二次形式。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數的步驟包含下列子步驟針對每一累積功率向量，利用多個取決於該直接信號與該反射信號的該延遲的標準正交向量計算多個加權總和；以及計算該多個加權總和的平方總和以求出該概度函數。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數時的步驟包含下列子步驟利用多個權重向量而為每一該累積功率向量計算多個加權總和，該些權重向量對應該直接信號與該反射信號的該都卜勒頻率的該預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣；以及根據前述兩子步驟的結果計算該概度函數，使該概度函數呈一二次形式。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數的步驟包含下列子步驟針對每一該累積功率向量，利用多個取決於該直接信號與該反射信號的該都卜勒頻率的標準正交向量計算多個加權總和；以及計算該多個加權總和的平方總和以求出該概度函數。
6.一種於衛星導航接收器中抑制多重路徑誤差的裝置，包含 搜尋多導航衛星的信號的手段；由每一該衛星接收並處理復變信號的手段；以一追隨開迴路追蹤信號並基於直接信號與反射信號的延遲與都卜勒頻率測量值決定該衛星導航接收器的一坐標、一速度與一準確時間的手段；根據多個導航參數計算該延遲與該都卜勒頻率的預測值的手段，以根據該延遲與該都卜勒頻率定向一二維的累積功率網格，該累積功率網格是依據該接收與處理的該復變信號所形成，而該些導航參數包括該坐標、該速度、該準確時間，以及根據測量到的時間與接收到的衛星星曆求得的衛星運動信息；其中，在形成該累積功率網格的各元素時，在一同調累積時段中進行復變信號加總，該同調累積時段同步於一給定衛星的數據位元，該同調累積時段長短符合一位元長度；以及基於該累積功率網格的處理，包括該累積功率網格的中心化，為該延遲與該都卜勒頻率的該預測值計算修正值，並計算該預測值與該修正值的加總以作為該延遲與該都卜勒頻率的測量值，再對該測量值外插一預設時間並計算準距離與準速度的測量值，並根據對所有衛星所求得的該測量值決定該衛星導航接收器的該坐標與該速度的手段； 其中，計算該延遲與該都卜勒頻率的該修正值的該手段包含 利用該中心化的該累積功率網格計算單一路經的修正值的手段； 決定多重路徑是否發生的手段；以及若為肯定的，則利用多個權重改進該修正值的手段；其中，當利用該權重改進該修正值時，系基於一中心化的累積功率向量形成一概度函數，並根據該概度函數的全域極大值改進該修正值。
7.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，利用該些權重改進該修正值的手段包含下列裝置以基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數利用多個權重向量而為每一該累積功率向量計算多個加權總和的手段，該些權重向量對應該直接信號與該反射信號的該延遲的該預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣的手段；以及利用該些加權總和與該反矩陣計算該概度函數的手段，使該概度函數呈一二次形式。
8.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，利用該些權重改進該修正值的手段包含下列裝置以基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數針對每一累積功率向量，利用多個取決於該直接信號與該反射信號的該延遲的標準正交向量計算多個加權總和的手段；以及計算該多個加權總和的平方總和以求出該概度函數的手段。
9.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，利用該些權重改進該修正值的手段包含下列裝置以基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數利用多個權重向量而為每一該累積功率向量計算多個加權總和的手段，該些權重向量對應該直接信號與該反射信號的該都卜勒頻率的該預測值；針對該些權重向量的兩兩純量內積所形成的矩陣求出反矩陣的手段；以及利用該些加權總和與該反矩陣計算該概度函數的手段，使該概度函數呈一二次形式。
10.如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，利用該些權重改進該修正值的手段包含下列裝置以基於該中心化的該累積功率向量形成該概度函數針對每一累積功率向量，利用多個取決於該直接信號與該反射信號的該都卜勒頻率的標準正交向量計算多個加權總和的手段；以及計算該多個加權總和的平方總和以求出該概度函數的手段。
全文摘要
本發明公開了於衛星導航接收器中抑制多重路徑誤差的方法與裝置，包含搜尋導航衛星信號、由衛星接收並處理復變信號、以一追隨開迴路追蹤信號並基於直接與反射信號的延遲與都卜勒頻率測量值決定接收器坐標、速度與準確時間等步驟，而該方法包含根據導航參數形成一二維的累積功率網格、利用中心化的累積功率網格計算單一路徑信號修正值，並決定多重路徑是否發生，若是則利用權重改進修正值。利用權重改進修正值時，基於一中心化的累積功率向量形成一概度函數，並根據該概度函數的全域極大值改進修正值。
文檔編號G01S19/22GK102213766SQ201010249799
公開日2011年10月12日 申請日期2010年8月3日 優先權日2010年4月1日
發明者亞歷山卓·費朵託夫, 尼克萊·米凱洛夫, 米凱爾·科羅斯多夫, 賈比傑 申請人:開曼晨星半導體公司, 晨星半導體股份有限公司, 晨星法國有限公司, 晨星軟體研發(深圳)有限公司