時間基準系統的製作方法

2023-10-10 14:47:19

專利名稱：時間基準系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種時間基準系統，用於根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準。本發明主要要求的是在弱信號環境中獲得精確的時間基準。
背景技術：
全球定位系統(GPQ被廣泛應用於定時。GPS定時接收器一般被用來為例如蜂窩式便攜電話基站中的電信系統提供時間基準。在這種情況下，需要精確到幾毫微秒以內的時間基準。通常，具有這種精度的已知接收器需要能夠清楚地看到天空。對於室內裝置，如大部分的電信設備的情況，上述需要就使得對室外天線、電纜以及相關聯的接口的使用成為必需。這種配置的成本和安裝時間都很高，從而制約了例如微微蜂窩(picocell)基站在室內的安裝。傳統技術中，GPS系統從包含星期時間(TOW)數據序列的低頻衛星數據信號獲取時間基準。這具有足以確認發送數據幀結構的低解析度。通過識別數據內的子幀邊緣獲得了針對時間的高解析度，這使得時間的不定性從6秒減小到了 20毫秒。另外還已知的是， 為了檢測數據位邊緣，需將20ms的不定性減小到1ms，並且為使內部代碼基準與發送的傳播代碼校準並測量傳播代碼相位，需將不定性減小到不足1 μ s。實際中，這樣的測量類似於偽距測量，這些測量直到定位引擎(例如，卡爾曼濾波器)已產生出位置-速度-時間 (PVT)解的收斂來考慮在信號通信過程中發生的從GPS星座中的多個衛星到接收器的信號延遲時間為止都含有未修正的誤差。例如在建築物之間或建築物內部之類的狹窄空間中可能出現弱信號環境，在這樣的弱信號環境中不能使用上述方法，因為衛星信號太弱以致於無法對數據流進行解碼。無法對包含必要的衛星星曆及鐘差的數據進行解碼的問題可以通過將相同的信息經通信鏈路饋送到接收器的方式來克服。然而通常無法以這種方式發送精確的時間基準，並且一般來說所能實現的最佳情況是精確到大約1秒的粗略的時間基準。對於接收器來說該粗略的時間基準足夠用來建立對衛星在天空中位置的初始評估，但是對於精確的位置解來說則是不夠的。因此，用於弱信號環境中的GPS接收器必須執行其他處理來獲得更精確的時間基準。對PVT解的計算包括求解一組等式，這些等式包含由來自不同衛星的連續到達時間的測量而得到的數據。該計算由卡爾曼濾波器來有效地執行，並且如果有足夠的時間則能夠導出精確的位置解。卡爾曼濾波器使關於每個觀察到的衛星而產生的模糊度歸結為一個單一且一致的集合，從而隨著時間的過去使該集合與初始位置、都卜勒位移以及SV(宇宙飛船)移動相匹配。然而絕對時間的問題仍未解決，絕對時間不定性在+/-30ms的量級或更大。不精確性取決於許多方面的影響，不僅包括信號級，還包括多路徑影響以及其他類型的幹擾
發明內容
本發明的目的是針對弱信號環境提供基準時間解，從而避免了需要天線來清楚地
看到天空。根據本發明的第一方面，提供了一種用於根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準的時間基準系統，包括衛星信號接收器，其具有射頻級和相關器，其中射頻級用於從多個衛星接收編碼調製信號並對這些編碼調製信號進行降頻變換，相關器接收、 跟蹤並解碼經降頻變換的衛星信號以提供包含了針對各個衛星的部分偽距測量的信號；以及數據處理裝置，用來從源接收包含輔助數據的信號，該信號是除了被接收並被降頻變換的衛星信號以及包含了部分偽距測量的信號以外的信號，該數據處理裝置還用來執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由接收到的衛星信號所承載的低頻數據位流的位邊緣， 該數據處理裝置還用來執行對低頻數據流中的預選數據序列的相關以求解出時間模糊度， 並且該數據處理裝置還用來根據輔助數據、來自衛星信號接收器的部分偽距測量輸出和編碼跟蹤輸出、數據位同步以及數據序列相關來計算時間基準信號。通常，輔助數據包含衛星星曆和/或衛星曆書信息，可將該信息從例如電信網絡饋送到數據處理裝置中，使用強信號環境中的遠程衛星信號接收器在別處生成該輔助數據。該時間基準系統優選地包括鎖頻環，其至少部分地包含在衛星信號接收器中並可操作來生成都卜勒位移信號用以表示由衛星運動引起的都卜勒位移，其中系統的數據處理裝置被配置成響應都卜勒位移信號來修改數據位同步。因此，為了補償任何頻率偏移，優選地在數據處理裝置中使用反饋迴路來改善數據位同步的精確度。數據處理裝置還被優選地配置成使用根據部分偽距測量以及優選地根據都卜勒測量所產生的位置-速度-時間評估來提供一個初步時間解，該初步時間解通常具有與低頻數據流的1到5個數據位的持續時間相等的時間不定性。可使用模糊度求解算法來提供針對所述測量和輔助數據的最佳匹配。可根據從接收器接收信號所用到的一個選中衛星接收到的信號來使用數據位同步的結果和預選數據序列相關的結果執行中間模糊度求解 (intermediate ambiguity resolution)禾口時間角軍(time solution)調整。優選地，口向應編碼跟蹤輸出來執行時間解的進一步調整，從而產生時間基準信號。預選數據序列可包含重複的數據模式。在GPS情況下，低頻數據流中的數據位前置序列就是這樣的模式。在此情況下，處理裝置被配置成使得數據序列的相關包含信號與預期數據模式的相關，其中預期數據模式是從接收器接收信號所用到的至少一個衛星接收到的信號的數據流中重複數據模式的連續實例當中的一個。可選地，動態地(on the fly) 對數據序列進行選擇。換句話說，選擇是一個實時發生的動態處理。該選擇可以利用輔助數據，或者可以通過基於先前接收到的數據序列或基於輔助數據的預測處理來執行。這些情況下，可以配置處理裝置來執行對潛在數據序列的數據模式的自相關，選擇基於與平均值或次級(secondary)值相比自相關最大的性質(quality)。在任何一種情況下，可通過結合相干積分與非相干積分來執行數據流中輸入數據的相關。通常，當使用鎖頻環來改善數據位同步時，提供一個時間精確度不高於 +/-1 Ims (典型地不高於+/-15ms)的初步PVT解，該解為多個偽距時間解選項的形式，其中的一個偽距時間解選項精確到+/_3ms範圍內。用以識別最精確時間解選項的相關操作可包括在不長於鎖頻環頻率穩定度倒數的間隔上使用相干積分對預選數據序列進行的相關。對最精確時間解選項進行選擇的操作可包括在一個更長的間隔上對以上相干積分的結果進行非相干積分。在鎖頻環的頻率穩定度很差的情況下，可使用比GPS前置序列短的重複數據序列。可選地，可使用差分解調相關，從而將要被匹配的模式不是導航數據，而是數據流的連續位的差分解調，在這種情況下可使用(比頻率穩定度的倒數)更長的數據位序列。如果使用了非重複數據序列，則預選操作包括確定序列針對相關操作的適用性 (即，避免以下序列在各個序列中數據值不改變的序列，或者例如在各個序列中數據值在高值和低值之間簡單交替的序列)。優選的是，使用16位或更少數據位的一個或多個數據序列來進行模式匹配，最優選的是使用8位或更少數據位的序列。根據本發明的第二方面，提供了一種根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準信號的方法，該方法包括對星座中多個衛星發送的信號進行接收、降頻變換和跟蹤以產生多個接收器輸出信號；從源接收除了直接接收到的衛星信號以外的輔助數據；以及根據接收器輸出信號和輔助數據來產生表示了初步時間解的信號；對至少一個衛星發送的信號所承載的數據流中的預選數據序列進行相關以求解出初步時間解中的時間模糊度， 從而生成一個時間基準信號，其表示了精確度高於+/-Ims的時間。根據本發明的第三方面，提供了一種根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準信號的方法，該方法包括對星座中多個衛星發送的信號進行接收、降頻變換和跟蹤以產生多個接收器輸出信號；從源接收除了直接接收到的衛星信號以外的輔助數據；以及根據接收器輸出信號和輔助數據來產生表示了初步時間解的信號；執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由至少一個衛星發送的信號所承載的數據位流的位邊緣，該數據位同步包括了對接收到的數據流的採樣執行頻移補償積分，從而補償接收到的數據流的數據率的位移，如都卜勒位移。


將參考附圖來通過示例描述本發明，在附圖中圖1是根據本發明的時間基準系統的框圖；圖2是示出GPS信號的波形圖；圖3是示出GPS信號所承載的低頻數據流的數據格式的示圖；圖4是根據本發明產生精確時間解的方法的流程圖；圖5是示出形成了圖4的流程圖的一部分的模式匹配處理的流程圖；圖6是示出包括GPS前置序列的低頻數據流的一部分的位示圖；圖7a、圖7b、圖7c和圖7d是示出在出現不同的在前位值和在後位值的情況下GPS 前置序列自相關特性的相關示意圖；圖8是表示GPS前置序列的差分相關的位示圖；圖9的示圖示出了針對不同的在前數據位值和在後數據位值的GPS差分解調前置序列的自相關特性；圖10的相關示圖示出了 GPS前置序列的中間部分的自相關特性；圖11是示出對_155dBm等級的輸入信號執行模式匹配所花時間的示圖；圖12是示出使用GPS模擬器通過導航解算和PPS偏移量評估所得的時間誤差的示圖；圖13是示出獲得圖12的時間誤差示圖的導航解算中所使用的衛星數量的示圖；圖14和圖15是使用室內天線來代替GPS信號模擬器而獲得的對應於圖12和圖 13的時間誤差示圖和衛星數量示圖；圖16是示出使用室內天線的衛星的載波噪聲比(CNR)的示圖；圖17和圖18是使用不同的室內天線的對應於圖12和圖13的示圖；圖19是使用第二室內天線獲得的CNR示圖；圖20和圖21是使用衰減的屋頂天線而獲得的對應於圖12和圖13的時間誤差示圖和衛星數量示圖；圖22和圖23是對應於圖12和圖13的示圖，但使用的是利用GPS信號模擬器的低信號採集；圖M和圖25是對應於圖12和圖13的示圖，但使用的是來自衰減的屋頂天線的低信號採集；以及圖沈是使用衰減的屋頂天線的衛星的CNR示圖。
具體實施例方式對於GPS來說要在室內環境中工作是極具挑戰性的領域，因為衛星與用戶之間的信號視線常常被遮蔽或被大大衰減，並且室內接收器極易受到經常出現在室內的源所發出增大的幹擾的影響，從而導致針對精確時間傳遞和準確同步應用的較差的實用性。另外還經常存在大量的多路徑信號，這降低了可實現的定時精度。GPS定時性能通常受到接收器的以下能力的限制，即，解調導航數據的能力，以及在將定時不定性減小到毫秒級的情況下識別並解算出大約_145dBm以下信號的正確毫秒的能力。這是因為在該處理點，信號級太低以致於無法定位數據位之間的倒相以及無法解算出數據位，從而接收器可能不得不與數據位邊緣進行不同步的積分。然而可通過A-GPS 鏈路向接收器提供輔助數據。一旦建立起一個定位(fix)，就可通過導航解算使GPS時間與本地時間之間的偏移量收斂，但該解算不允許在低信號級情況下進行嚴格的毫秒同步。假設在多於四個衛星的情況下，導航解算可將時間建立在大約士50ms。該數字取決於信號狀態並在下文中通過一些現場實驗的結果舉例說明。理想的是，如果導航解算可將時間收斂到大約士 10ms，則位同步算法能找到位轉移並因此求解出毫秒模糊度。然而，由於30到50ms的時間不定性，位同步算法能夠求解出毫秒模糊度，但仍留下了 20ms的模糊度。根據本發明，使用導航解算來將時間解改善為大約30到50ms，建立Ims位同步，求解出20ms模糊度，並由此獲得精確時間。為了消除時間不定性，在本發明的一個優選實施例中，一個建議的算法是使用GPS數據前置序列的重複結構來求解出20ms模糊度。如下面所述，GPS前置序列在所需時間不定性上具有良好的自相關特性。公開並比較了使用這種自相關並求解出20ms模糊度的可選算法。在過去的幾年間，引入了多種技術來改善室內GPS應用(例如輔助GPS)的性能， 其中基準網絡提供導航消息、初始位置以及時間評估方面的幫助。這使得GPS接收器利用所得的靈敏度增益來增加了接收器內的相干積分時間段。然而，由於相干積分時間段當中的導航數據位以及殘留頻率誤差而導致相干積分時間被限制在20ms。殘留頻率誤差是由衛星運動、接收器時鐘不穩定性以及用戶運動導致的都卜勒效應而引起的。傳統GPS接收器通常使用小於最大20ms相干時間段的積分時間段，因此它們的操作環境被限制在具有強信號(信號大於_145dBm)的環境中。根據本發明的優選時間基準系統使用能夠從ST-Ericsson獲得的GNS4540集成電路晶片。GNS4540是一種高性能的單晶片Ll GPS接收器晶片，其提供基帶信號處理。DSP 包含的固件在導航解算運行在主處理器上時能控制GPS獲取和跟蹤，該主處理器可以是內嵌系統上的處理器或者可以置於PC上。圖1是接收器晶片和主處理器的框圖。該系統能夠在諸如建築物內部或所謂的城市峽谷之類的信號級很差的困難環境中利用輔助數據並且對跨越更長的數據位進行非相干的積分來處理信號，從而即使是在室內環境中，也能增強整體接收的信號靈敏度，進而改善信號獲取性並提供了高性能的定位。如在傳統衛星信號接收器中一樣，GNS4540接收器晶片10具有射頻級的衛星信號接收器IOA和基帶模塊10B，該射頻級的衛星信號接收器IOA用於從多個衛星接收編碼調製的信號並對這些信號進行降頻變換，該基帶模塊IOB包括相關器引擎12來接收、跟蹤和解碼上述經降頻變換的衛星信號，從而為各個衛星提供包含了部分偽距測量的信號。數據處理主機系統14被配置成通過數據輔助埠 14A從諸如電信網絡之類的外部源接收包含輔助數據的信號，並且通過串行接口鏈路16來接收包含部分偽距測量的信號。「偽距」是對衛星和接收器之間的信號路徑上的時間延遲的評估。該路徑延遲通常在70毫秒量級。GPS信號在圖2的波形圖中示出。1575. 42MHz的Ll載波被基本碼率為 1. 023MHz的偽隨機擴展碼調製。每個碼片包含1540個載波周期。偽隨機碼(PRC)為1023 個碼片長(即，1毫秒)。該碼以IkHz速率重複。在一個低得多的頻率處用數據流對信號進行調製。該低頻率或數據率為50Hz，也就是意味著一位數據流佔20毫秒。該擴展碼(PRC) 每毫秒重複一次，也就是意味著與碼進行同步僅提供了偽距的小數部分(以毫秒為單位)。 偽距的整數毫秒部分通過其他方式來評估，傳統的方式是在每個將要使用的衛星上解碼數據結構。接收器10具有鎖頻環(FLL)，與輸入載波同步的本地振蕩器10_1是該鎖頻環的一部分。相關引擎12包括碼環(code loop)，該碼環與產生小於1微秒解析度並具有1毫秒模糊度的偽隨機碼(PRC)同步。之後不管數據是否被成功解碼，對於內嵌的處理器子系統18或主機系統14來說都可以與50Hz低頻GPS導航消息數據流的數據位傳輸進行同步。 這就以20毫秒的模糊度產生了小於1毫秒的解析度。參考圖3，由GPS數據信號表示的數據流包括25個數據幀，一共佔12. 5分鐘。(這 25個幀每12. 5分鐘重複一次)。如圖3所示，每個數據幀佔30秒並包含1500個數據率為 50Hz的數據位。每個幀包括5個子幀，子幀具有與時鐘參數、星曆(兩個子幀)、用於系統消息和曆書的子幀(子幀4)以及其他曆書(子幀5)有關的數據。每個子幀4包含25頁系統消息和曆書中的一頁，連續的30秒數據幀包含25頁中連續的一些頁。類似地，在子幀5中連續的30秒數據幀包含25頁曆書中連續的一些頁。每個子幀都為6秒長，並包含 50Hz數據流的300位，如圖所示這300位被分成10個數據字。在圖3中，「TLM」表示遙測字(「唯一字」)，「H0W」表示所謂的交接字，其包括T0W(星期時間)和子幀ID(身份)。每個字都具有M個或更多數據位加上6個奇偶校驗位。(根據多於一個的字來計算奇偶校驗位。)當信號強度足夠時，由主機系統14(圖1)通過解碼數據來執行子幀同步，這產生了具有6秒模糊度的小於20毫秒的解析度。在子幀中解碼數據提供了 1. 5秒星期時間 (TOff)以及星期數。如上所述在多個子幀上擴展了諸如星曆/軌道和時鐘參數之類的附加數據。在傳統的GPS接收器中通過讀取GPS信號的導航消息中的TOW數據來確定與衛星傳送相關的絕對時間。每6秒在導航消息數據流中報告TOW計數，給出從當前GPS周的起始開始所過去的時間。50Hz的數據流用Ims的GPS C/A碼轉移來對準，以使得(具有20ms間隔的)數據位邊緣的到達時間將絕對發送時間解算為最接近20ms。C/A碼每Ims重複一次，因此在每Ims的GPS時間上模糊。精確同步到位邊界可以將絕對發送時間解算為1毫秒或更少。 GPS導航消息包括系統時間、衛星星曆和曆書信息。在GPS接收器中，假設在4個或更多個衛星的情況下，一旦導航解算將時間收斂， 並且獲得了來自至少4個不同衛星的到達時間(ToA)測量，並且接收到有效衛星軌道數據， 則能夠從解調的衛星數據流、數據子幀、數據位同步(以ms為單位)以及碼片計數與碼相位(以亞毫秒為單位，例如50ns)的結合來將時間恢復。在強信號級(信號高於_145dBm)情況下，可檢測數據位邊緣，載波跟蹤提供了數據位，並且子幀同步可被建立。隨後根據GPS數據流和易於檢測為亞毫秒的位邊緣來建立時間。定時性能受到接收器在信號低於_145dBm的情況下解算出正確數據的能力的限制。由此需要來自外部源的輔助數據來獲得有效衛星軌道信息，這是因為接收器無法從接收到的信號中提取導航數據並且對於接收器來說無法同步到輸入位、字或子幀。一旦建立起一個定位，就能由導航解算將GPS時間與本地時間之間的偏移量收斂到優於士50ms，但是該解算還不允許在低信號級的情況下進行精確的毫秒同步。對於積分時間仍小於20ms但位邊緣被「模糊」的中間信號(處於_145dBm 到-150daii之間的信號)，接收器對每個被跟蹤以尋找數據位邊緣的衛星啟動一個位同步累加器。所使用的位同步算法是一種從接收到的GPS信號提取定時信息的轉移檢測技術。 因為每個數據位有20個C/A碼Ims信號出現時間段，並且位邊緣與一個C/A碼的起始對準， 所以位同步算法將假設的數據位時間段斷成20個Ims時隙。按照檢測到倒相的Ims時隙來將該檢測到的倒相添加到適當的積分器時隙。隨著時間的過去，這些時隙中的一個積分到比其他時隙高得多，並且使用閾值機構來檢測正確的毫秒。更長的積分時間段增大了正確檢測數據位轉移的可能性，這是因為出現了更多的位轉移。同樣，更長的積分時間段提供了改進的抗噪聲性。因此，在弱信號環境中，位同步算法可在長時間段中積分，並且假設輔助超過3秒，則僅僅需要單個成功的子幀解碼來建立精確時間。這可以在比連續無誤差數據解碼稍低的信號環境中(例如-150cffim的信號環境)實現。對於更弱的信號(低於_150dBm)，從信號中只能提取出碼相位。因此，使用了類似於對中間信號所使用的位同步機構。然而，弱信號所需的積分長度以及由時鐘偏移、衛星運動和例如用戶運動導致的都卜勒效應所引起的信號動態使得位邊緣扭轉穿過(slew
9across)時隙。結果，位同步技術找到正確毫秒時隙的可能性更低。可以找到很少的定位了數據邊緣的相鄰毫秒，並將此稱為「近似毫秒同步」。對於導航解算來說使用這種方法已經足夠，但是對於定時來說則不夠。因此就這一點來看，亞毫秒時間解顯示了良好的精確度， 但會面臨NX Ims的偏移量。在GPS接收器10的嵌入式處理器系統18中執行數據位同步。在低接收信號級情況下，儘管沒有能力解碼數據流，但仍然可以執行數據位同步。位同步的積分時間段被延長以適應針對弱信號環境的位同步算法，所產生的結果是改善了發現位轉移的能力而無需相應地增加遣散(dismissal)速率。通過使用閾值技術來改善閾值位同步算法，該閾值技術確保了具有最大能量的時隙與具有第二大能量的時隙間的比值大於預定閾值。因此，如果該比值小於閾值，則不做任何決定並且位同步算法被重新初始化。這種方法改善了位同步算法的魯棒性，尤其是在弱信號情況下或者是在積分時間段期間接收到的信號中缺少數據位轉移的情形下。選擇閾值，從而在出現弱信號的情況下提供檢測正確毫秒時隙的最佳可能性，以及在位同步的誤差率與宣告發現位轉移所需的時間之間得到最佳平衡。閾值是信號強度、 積分時間段長度以及理想誤差率的函數。如果檢測閾值太高，則在弱信號級情況下檢測到位轉移的可能性就太低，這導致了增加的位轉移檢測時間。另一方面，低閾值會造成錯誤報警，從而導致發現正確毫秒時隙的可能性更低。如上所述，由於這樣的事實，即，因為具有正確位邊緣的時隙所需的積分時間段超過檢測閾值很長，所以出現在GPS信號中的漂移和都卜勒位移引起的頻率偏移量導致了位邊緣能夠扭轉穿過(slew cross)相鄰時隙，因此對於弱信號來正確檢測數據位轉移的可能性被降低。為了補償任何頻率偏移量，使用反饋環來改善在長積分時間段中位同步評估的精確度。以此方式可以補償例如由本地接收器時鐘計時得到數據率為50Hz的數據流的都卜勒位移。可使用嵌入式處理器子系統18(圖1)來以多種方式實現頻率補償功能。第一種方法必須將位同步處理擴展到關於位的位置和頻率的二維搜索。在該方法中，位同步算法針對多個頻率偏移量上的不同種可能的位的位置來計算20個時隙。具有最大能量的時隙是積分正確對準了數據位的位置的時隙。來自頻率窗口(bin)的20個時隙可被用來求解每個位的位置評估值。然而該方法在計算上的花費很高。第二種方法涉及使用頻率跟蹤環來幫助進行位同步算法，從而防止由於衛星動態的差異和改變所導致的位邊緣扭轉穿過相鄰時隙。第三種方法基於20ms積分從而增加了針對弱信號正確檢測數據位轉移的可能性。然而該方法有很高的存儲要求。現在參考圖4，圖4是示出由如上參考圖1所描述的時間基準系統的嵌入式處理器子系統18和主數據處理系統14所執行的軟體步驟的流程圖。開始，主機系統通過提供了星曆和曆書信息以及不精確時間值的數據輔助埠 14A(圖1)來收集輔助數據(步驟102)。 優選的是位置輔助比IOOkm更近，以提供良好的整數1毫秒偽距解析度。接著執行對強SV(宇宙飛船)信號的搜索(步驟104)，並且如果找到了 SV，則使用來自至少一個SV的數據流的數據解碼來執行位置-速度-時間解算(步驟106、108)。如果沒有定位到強信號，則通過嵌入式處理器子系統來執行上述弱信號搜索(步驟110)。無論何時發現了 SV(步驟112)，都得開始上述位同步程序(步驟114)。可使用近似同步來調整相干積分以改善靈敏度。當定位了 4個SV時(步驟116)，即使是使用弱信號也可能獲得初始位置-速度-時間(PVT)解(步驟116、118)，取決於初始位置是否已知是在IOOkm以內，可以使用計算得到的整數毫秒來提供位置解(步驟120)，或者使用附加的模糊度求解來提供位置解(步驟122)。總之，上述步驟增加了在非常弱的信號環境中正確檢測數據位轉移的可能性。在接收器檢測到位轉移之後，開始按照導航消息在接收到的信號中被發現的順序來對這些導航消息進行解調。然而，當接收到的信號非常弱時，接收器發現很難檢測數據位之間的倒相從而無法可靠地對接收到的GPS信號進行解調，因此留下了在導航解算所建立的士 50ms解析度以內的20ms的模糊度。對於20ms的數據位積分對準來說以及對於定位解算來說該模糊度已經是足夠好的，但對於定時來說則不夠。接收器接下來執行的處理包括對接收到的衛星信號的低頻數據流中預選數據序列的模式匹配，這樣的數據序列之一是出現在數據流中每個子幀開始位置的8位GPS數據前置序列(見圖幻。然而，可以使用重複數據序列或不重複數據序列。模式匹配解決了上述20毫秒的模糊度。儘管是在弱信號條件下衛星數據本身無法被解碼，也可以通過根據序列選擇的不同相關技術來執行上述處理。再次參考圖4，主機系統14首先對上述位同步處理之後獲得的初步時間解的精確度進行評估(步驟124)。該精確度評估與目標時間精確度進行比較(步驟126)，該目標時間精確度是根據一個或多個所選數據序列的模式長度來設定的。將目標時間精確度設置為小於為獲得良好相關分辨力而設定的預定自相關函數極限範圍。如果評估所得的時間精確度小於目標，則嵌入式處理器子系統通過核對位同步處理已得到了至少近似的數據位對準 (步驟128)來繼續進行模式匹配(步驟130和圖5)。在沒有鎖相環(PLL)的操作的情況下(即，低信號等級的情況下)，無法運行長時間的相干積分來對預選數據序列進行相關。然而，由位置解算步驟120或122獲得的最初的位置解允許對時間不定性進行局部化，以使得只存在少數(例如3到5個)模糊度時間選項。這是因為如圖3所示，出現在每個子幀中的數據序列每6秒出現一次，並且在由到目前為止接收器中執行的處理所得到的時間不定性中(該不定性通常要加上或減去30毫秒， 儘管有時差不多要加上或減去50毫秒)只有少數符合條件的子幀會對準。已經建立了與數據位邊緣的同步，模糊度求解的問題被簡化為對少數模糊度的求解。圖6中示出的8數據位同步或衛星數據的前置序列在加上或減去3數據位的範圍內具有良好的自相關特性，如圖7a到圖7d所示，甚至允許未對準時的未知信號數據狀態。從圖 6中看出，8位前置序列包括位10001011。前一子幀的最後兩位為00。「X」表示的位是在除了前置序列以外的其他所關注區域中的未知位。圖7a到圖7d描繪出在沒有噪聲的情況下由預選前置序列的自相關得到的標準化相關值。在預選數據位前置序列之前和之後的位中出現不同數據值的情況下將這些值描繪成與輸入和參考序列對準和不對準。將看出該序列具有極好的自相關特性，標準化相關值峰值隨著對準至少為獲得未對準+/_1、2、3個數據位的值的兩倍而出現。將會看出相關餘量，即對準時的標準化相關值與未對準序列值的比例，至少為1比2，當具有1或2個位的偏移量時則該餘量為4比1或更少。通常，+/-2. 5個位上具有2比1的餘量會產生良好的結果，儘管更小的餘量也是可行的。在優選接收器中，通過使用在與預期頻率精確度相當的短間隔中對每個時間解選項進行相干積分的直接相關來執行模式匹配。具體來說，由於缺少PLL，這樣的積分是在小於或等於鎖頻環頻率穩定性倒數的間隔中執行的。尤其是在由於弱信號條件中較差的頻率穩定性而導致的對全部8個數據位序列的積分不足的情況下，可以執行單個同步序列以外的積分，執行了對同步消息之間可能的數據轉位(inversion)的補償(即，在擴展積分中使用非相干技術)。不管使用了相干積分還是相干與非相干積分的結合，系統都檢測到針對不同時間解選項的最佳相關結果。參考圖5，開始進行模式匹配程序(步驟130)，該程序包括「相干積分」步驟(步驟 132)，其中用所選模式長度上的複雜採樣來乘前一模式或預期模式(針對GPS BPSK調製加 /減1)。針對測試中每個可能的延遲(時間解選項)進行該步驟。接著，針對每個時間解選項或偏移量(「offset」)來計算(通過對乘積求和而得到)結果的量級(步驟134)，該量級除去了符號和相位(符號和相位從一個相干積分到下一個相干積分是不一致的)。在步驟136，通過非相干積分來累積針對每個偏移量的量級。隨後執行閾值測試(步驟138)來檢測具有足夠餘量的最大相關峰值(例如通過將最大峰值與次最大峰值進行比較或者將最大峰值與平均相關輸出進行比較之類的比較測試)。典型的餘量是2比1。測試之前可能需要最小數量的環處理140周期。返回圖4，當實現了模式匹配(步驟142)並實現了精確位同步(與步驟1 中測試的近似同步相反)(步驟144)時，可以在主處理器中將最初的時間解解算為精確時間，以使用例如卡爾曼濾波器來獲得精確時間(步驟146、148)。還可使用比上述8位序列更短的序列來執行模式匹配，如下所述，其優勢在於頻率靈敏度更低，並且用來分辨的自相關模式的變化更少。另一個選擇是如下所述執行差分位方法(「差分積分」)，從而將被匹配的模式並非來自衛星數據流的導航數據，而是連續數據位的差分解調。該模式的頻率容許度更大，但其自相關函數仍會改變。在GPS前置序列的情況下，所得的自相關顯示了分辨力很差，但是針對該自相關能夠識別出其他數據序列， 並且該分辨力會滿足差分相關方法，該方法具有更大的頻率容許度並且使用更長的數據序列。最初時間解與模式匹配結果的結合完成了建立「精確時間」所需的結合。因此，作為對粗略時間、使用例如卡爾曼濾波器的定位時間、以20毫秒為模的位同步、如上所述數據或差分數據模糊度解析度(resolution)加或減3個數據位、以及碼相位匹配同步(以1 微秒為模)的合成，建立了精確時間。通常該建立起來的時間精確到50毫微秒。還應當注意，與根據碼片(以1毫秒為模)同步建立時間以及在整個1秒的粗略時間不定性(即， 1000個搜索窗口)中嘗試直接匹配數據相比，上述方法僅僅需要數據模式能求解出較少數量的選項(比方說5個窗口)。這意味著類似的閾值將通過比較產生1/200的「誤報警」 率。可選的，降低針對相同誤報警率的閾值算法產生了在更低信號級條件下的檢測。由於數據位以50%的比率在整個信號中連續發生，但同步數據位在每6秒子幀中只佔用了 8個位(即，2.7%)，因此使用同步數據位只導致緩慢的過程。在許多應用中這並不是問題，但並不限制該方法必須使用同步位，而是可以使用任何顯示出良好自相關的序列。
對數據模式匹配結果(S卩，所選時間解選項)進行結合包括了步驟146(圖4)中的根據從接收信號所選的一個衛星發射的信號來對模式匹配結果進行匹配。換句話說，當已解算出來自一個衛星的信號中的20毫秒模糊度和1毫秒模糊度時，最初的位置解和時間解以及以上涉及的其他數據的集合產生其中解算出了絕對時間模糊度的解。相應地還能夠在步驟146重複進行的結合處理中對已經從其他衛星得到的最初的位置-時間解進行調整， 以得出所需的精確時間輸出。現在將使用衛星數據流中8位前置序列的示例來更加詳細地描述基於自相關的模式選擇和序列模式匹配處理。如圖6所示，GPS導航消息中的每個子幀都以8位前置序列「10001011」開始，在子幀同步處理期間使用該前置序列。由於前置序列的長度是固定的，因此可使用該前置序列與接收到的數據位之間的相關來使得接收器自其有效地確定了子幀的開始並接著定位了接收信號的邊界以及隨後跟蹤每個子幀以後實現同步。前置序列的自相關特性特別重要，並且能夠通過將已知字與所關注範圍內前置序列的移位複製進行相關來獲得。由於GPS子幀中每個字的最後兩位為0[ICD-GPS-200， 1991]，所以當確定了相關峰值任一側區域的自相關特性時可包括這些位。假設導航解算將時間收斂，使多於4個衛星近似到士 50ms (即，近似士 2. 5個數據位)，則自相關峰值任一側的區域(3位)應具有低互相關值，從而改善識別子幀開始的能力。如圖6所示，在除了前置序列以外的其他關注區域中有4個未知位；也就是16個可能的數據位排列。GPS前置序列證明在所需時間不定性上(士2. 5個位)具有很好的自相關特性，並且還在圖7a到圖7d中圖示出了所有相鄰的數據位排列。前置序列與接收信號匹配，並且通過在整個跟蹤信號的採樣當中以20ms步長對複製數據位模式進行移位直到發現匹配來形成一個相關峰值。這實質上將積分時間段增大到所用數據段的長度以外，該數據段長度對於GPS數據前置序列來說是160ms。相比20ms 積分時間段，這改善了靈敏度，以該靈敏度通過大約9dB來實現精確時間同步。然而這增加了接收器對用戶動態和振蕩器穩定性所引起的頻率誤差的靈敏度。160ms的相干積分時間段意味著一個6. 25Hz的相對窄的頻帶。由於大頻率誤差會降低信號靈敏度並因此會減小長相干積分時間段的益處，因此增大相干積分時間段時，頻率誤差必須被考慮在內。可選方式包括將差分解調的接收GPS信號與本地生成的GPS前置序列的差分解調版本進行相關。在兩個連貫的相干積分輸出之間執行差分相干累加。也就是用前一採樣的共軛來乘後一採樣，並且隨後累加這些相關變量以獲得差分相干輸出。差分積分的實部 (也被稱作點積)隨後與前置序列的點積相關。點積形成了乘積Yffl = Iffl-1Iffl+Qffl-1Qffl⑴其中m表示相應採樣的相干延遲版本。當點積大於0時，沒有發生數據位改變。也就是表示不存在兩個連續的信號採樣段之間的倒相，而當點積小於0時，發生了數據位轉移(也就是在兩個連續的信號採樣段內檢測到了倒相)。對GPS數據前置序列的差分解調序列「0110001」如圖8所示。儘管該技術在頻率偏移量存在的情況下提供了更好的性能，但如圖9所示，GPS差分解調的前置序列在所需時間不定性(士2. 5個位)上不具有非常好的互相關特性。這影
13響了正確檢測主峰值的可能性，因為該可能性取決於自相關峰值與最高側峰值的比值。因此，儘管差分前置序列檢測在頻率偏移量存在的情況下得到了更好的性能，但在所需時間不定性上具有不夠好的相關特性，不過將存在自相關令人滿意的其他數據序列。另一可選方式是使用GPS數據前置序列的子序列。與使用全部長度的前置序列的情況相比，這增強了頻率偏移量存在情況下的性能(也就是將頻率帶寬從6. 25Hz改善為 8. 3Hz)。相比20ms積分時間段，使用6位序列(積分時間段為120ms)改善了靈敏度，以該靈敏度通過7. 78dB來實現精確時間同步。圖10示出了 GPS前置序列的6位子序列「000101」 的相關特性。因此該方法探尋在前置序列的6位中的前置序列相關。另外，使用前置序列的子序列減小了處在所選序列任一側的未知位的數量，如圖 10所示。因此，GPS前置序列的子序列具有良好的相關特性，並能被用來求解出20ms模糊度。使用模式匹配算法來開發這些相關特性並求解出20ms模糊度。通過將接收數據序列與已知數據序列進行相關，並且在產生高於特定閾值的相關結果時使用算法來為預測添加可信度，從而完成了模式匹配算法。該算法依賴於這樣的認識，即，同步字將出現在隨後的子幀中從而能夠改善檢測的可能性，以及通過在隨後的子幀中執行附加的相關減小了誤同步的可能性。可選地，當選擇了非重複序列時，在隨後的子幀中的序列已知或可預知時可實現類似的特性。結合多個子幀的結果增大了檢測同步字的可能性。結合多個子幀的方法之一是在與檢測閾值進行比較之前對來自多個子幀的相關結果進行求和。圖11示出了用針對所有衛星設置成-155dBm的信號等級來在GPS模擬器上執行根據100次試驗的模式匹配所花時間。總的來說，根據本發明的系統使用已成熟的模式匹配算法來求解出20ms模糊度。 其利用GPS數據前置序列的周期性廣播來增強定時同步的性能。在ST-NXP GNS4500接收器平臺中，導航解算使用多種可能的機制來將時間收斂於 IOOms以內，這足以建立針對定位的SV軌道位置，但對精確定時接收器來說則並不令人滿意。導航解算建立了時間，假定將多於4個衛星近似到士50ms。圖12到圖18示出了該時間的評估取決於信號條件。在GPS時間重建中使用該導航解算來提供評估，從而削減了時間不定性。使用來自⑴GPS信號模擬器、(2)室內天線以及(3)衰減的屋頂天線的信號來執行一系列測試。將室內天線置於文件櫃中來模擬包含高度衰減的多路徑信號的惡劣室內環境。每個測試運行持續30分鐘。表1總結出用於所有測試的初始條件。表1 初始測試條件
權利要求
1.一種時間基準系統，用於根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準，其中該時間基準系統包括衛星信號接收器，其具有射頻級和相關器，其中射頻級用於從多個衛星接收編碼調製信號並對這些編碼調製信號進行降頻變換，相關器接收、跟蹤並解碼經降頻變換的衛星信號以提供包含了針對各個衛星的部分偽距測量的信號；以及數據處理裝置，用來從源接收包含輔助數據的信號，該信號是除了被接收並被降頻變換的衛星信號以及包含了部分偽距測量的信號以外的信號，該數據處理裝置還用來執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由接收到的衛星信號所承載的數據位流的位邊緣，該數據處理裝置還用來執行對數據流中的預選數據序列的相關以求解出時間模糊度，並且該數據處理裝置還用來根據輔助數據、來自衛星信號接收器的部分偽距測量輸出和編碼跟蹤輸出、數據位同步以及數據序列相關來計算時間基準信號。
2.根據權利要求1所述的時間基準系統，包括鎖頻環，其可操作用於生成表示由衛星運動引起的都卜勒位移的都卜勒位移信號，其中數據處理裝置被配置為響應於都卜勒位移信號來修改數據位同步。
3.根據權利要求1或2所述的時間基準系統，其中數據處理裝置被配置為(i)使用根據部分偽距測量以及都卜勒測量所產生的位置-速度-時間評估來提供一個初步時間解，該初步時間解具有與低頻數據流的1到5個數據位的持續時間相等的時間不定性，並使用模糊度求解算法來提供針對所述測量和輔助數據的最佳匹配，( )根據從接收器接收信號所用到的一個選中衛星接收到的信號來使用數據位同步的結果和預選數據序列相關的結果執行中間模糊度求解和時間解調整，以及(iii)進一步響應於編碼跟蹤輸出來調整時間解，從而產生時間基準信號。
4.根據前述權利要求中任意一項所述的時間基準系統，其中預選數據序列使用重複的數據模式，並且數據處理裝置被配置為使得數據序列的相關包含了對從至少一個衛星接收到的信號的數據流中重複的數據模式的連續實例的相關，其中該至少一個衛星是接收器接收信號所用到的衛星。
5.根據權利要求1到3中任意一項所述的時間基準系統，其中預選數據序列使用輔助數據動態地選擇，和/或基於先前接收到的數據序列而通過預測來選擇，其中數據處理裝置被配置為通過執行對潛在數據序列的數據模式的自相關而進行選擇，該選擇基於與平均值或次級值相比自相關最大的性質。
6.根據權利要求4或5所述的時間基準系統，其中通過結合相干積分與非相干積分來執行相關。
7.根據權利要求1或2所述的時間基準系統，其中數據處理裝置被配置為提供一個時間精確度不高於+/-Ilms的初步位置-速度-時間解，該解為多個偽距傳輸時間解選項的形式，其中至少一個偽距傳輸時間解選項具有士3ms範圍內的時間精確度。
8.根據前述權利要求中任意一項所述的時間基準系統，還具有鎖頻環，其中數據處理裝置被配置為在不長於鎖頻環頻率穩定度的倒數的間隔上使用相干積分對預選數據序列進行相關。
9.根據權利要求8所述的時間基準系統，其中數據處理裝置被配置為使得選擇至少一個選項的操作包括了在一個更長的間隔上對所述相干積分的結果進行非相干積分。
10.根據前述權利要求中任意一項所述的時間基準系統，其中所述數據序列是根據預定相關特性而預選擇的。
11.根據前述權利要求中任意一項所述的時間基準系統，其中通過自相關處理選擇預選擇的數據序列。
12.根據權利要求1到9中任意一項所述的時間基準系統，其中所述數據序列是根據在與一個或多個基準序列對準的序列和不對準的序列之間進行分辨的能力來預選擇的。
13.根據權利要求12所述的時間基準系統，其中所述數據序列是根據其自相關分辨能力來預選擇的。
14.一種根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準信號的方法，該方法包括(a)對星座中多個衛星發送的信號進行接收、降頻變換和跟蹤，以產生多個接收器輸出信號，從源接收除了直接接收到的衛星信號以外的輔助數據，以及根據接收器輸出信號和輔助數據來產生表示了初步時間解的信號，(b)對至少一個衛星發送的信號所承載的數據流中的預選數據序列進行相關，以求解出初步時間解中的時間模糊度，從而生成一個時間基準信號，其表示了精確度高於+/-Ims 的時間。
15.一種根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準信號的方法，該方法包括(a)對星座中多個衛星發送的信號進行接收、降頻變換和跟蹤，以產生多個接收器輸出信號，從源接收除了直接接收到的衛星信號以外的輔助數據，以及根據接收器輸出信號和輔助數據來產生表示了初步時間解的信號，(b)執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由至少一個衛星發送的信號所承載的數據流的位邊緣，該數據位同步包括了的對接收到的數據流的採樣執行頻移補償積分。
16.一種用於根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準信號的時間基準系統，該時間基準系統包括衛星信號接收器，其具有射頻級和相關器，其中射頻級用於從多個衛星接收編碼調製信號並對這些編碼調製信號進行降頻變換，相關器接收、跟蹤並解碼經降頻變換的衛星信號以提供包含了針對各個衛星的部分偽距測量的信號；以及數據處理裝置，用來從源接收包含輔助數據的信號，該信號是除了被接收並被降頻變換的衛星信號以及包含了部分偽距測量的信號以外的信號，該數據處理裝置還用來執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由接收到的衛星信號所承載的數據位流的位邊緣， 該數據處理裝置還用來使用由接收器從衛星接收到的信號的到達時間測量結果來計算位置-速度-時間解，並且該數據處理裝置還用來執行對被接收並被降頻變換後的衛星信號中的數據位流與預選數據序列的相關，並且使用數據位同步、位置-速度-時間解以及數據位流相關三者來計算時間基準信號。
全文摘要
一種時間基準系統，用於根據全球導航衛星星座所產生的信號來生成時間基準，該系統包括衛星信號接收器來從多個衛星接收編碼調製信號並對這些編碼調製信號進行降頻變換，還包括相關器來跟蹤並解碼經降頻變換的衛星信號以提供包含了針對各個衛星的部分偽距測量的信號。形成了該系統一部分的數據處理裝置用來從外部源接收輔助數據並執行數據位同步，在該數據位同步中識別出由接收到的衛星信號所承載的低頻數據位流的位邊緣，從而執行初步位置-速度-時間解算來提供近似時間基準，並且對數據流中的預選數據序列執行自相關以求解出時間模糊度，從而在弱接收信號條件下計算精確的時間基準信號。預選數據序列可以是由數據流構成的GPS導航消息中的重複的數據前置序列。
文檔編號G01S19/25GK102216801SQ200980145475
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月17日 優先權日2008年9月17日
發明者埃斯特·奧盧盧·阿尼婭艾格布, 彼得·馬克·弗萊明, 傑拉爾德·溫特沃斯, 雅克萊·佩塔·比克斯塔夫 申請人:意法愛立信有限公司