用于測定運動體方向的接收器的制作方法

專利名稱：用于測定運動體方向的接收器的制作方法
技術領域：
本發明涉及精確與快速測定空間運動體的方向。
通常，航海需要對一艘船所沿其行駛的航向有某種了解，看它是在航行、機動還是已經停泊。航向信息是與該船縱軸在水平面內的取向有關的信息。本發明將結合一艘船或一架飛機的航向測定加以簡單描述，但它也可以應用于與運動體的取向有關的其他信息，包括該水平面之外的信息側搖與縱仰姿態信息是航海與航空等中的另一部分重要信息，盡管通常它需要的精度比航向信息低。與一部地面車輛的航向或取向有關的信息也很重要。還可以設想其他的示例應用，譬如關于一部吊車、一件武器、一位步行者等等的取向信息。
傳統上，航向測量是借助于一個磁羅盤儀、一個陀螺羅盤或一個慣性單元來實現。
由于地理北極與地磁北極的偏差以及在該羅盤周圍的干擾磁質，磁羅盤儀需要進行校正。
由電力支承的陀螺羅盤對磁力變化不敏感，在船舶中被廣泛采用。但是，安裝的困難、在高緯度下精度下降、機械維護以及要求高精度時所需的費用是相當大的障礙。
慣性單元能提供高質量的測量，但費用昂貴，而且必須借助于其他測量手段來定期重新標定。
對方向測定問題，可以設想使用由衛星測定位置的裝置，譬如采用GPS(全球定位系統)系統或者特別是GLONASS系統的定位衛星所發射的無線電信號。
利用幾個位于該運動體(船舶、飛機等等)上不同位置的天線，并通過差分測量來測定這些天線的相對位置，就能夠借助航向、側搖與縱仰來計算姿態。在良好接收條件下獲得的精度對航向可以是3毫弧度，對側搖或縱仰可以是6至8毫弧度，它們是這些天線之間距離的函數。
所以人們已經提出了根據衛星信號接收器來探測姿態的裝置，它包括幾個連接到信號接收與數字處理電路的接收天線(每個天線一個接收器)，每個電路都能測定相應天線與該天線視線上各顆衛星之間的偽距離。如果一顆衛星到兩個相應天線的距離不同，那么相應于該同一顆衛星、但由兩個不同接收電路測定的偽距離也不同。一個計算處理器接收來源于每個接收器的偽距離測量值并確定它們的差，該計算處理器還控制這些接收器的運行；根據對該測量時刻這些衛星位置的知識以及對這些天線之間的固定距離的知識，該處理器通過常規的三角計算方法由這些差值推算連接這些天線的向量的方向。
然而，這些系統比較昂貴。所以需要那些能夠完成同樣功能、但不太昂貴的系統，即便這將部分地有損于某些性能方面也行。
導致高成本的原因之一是所需的信號接收與處理電路的復雜性對每個接收器都必須提供用來接收與用來模擬處理從這些衛星接收到的射頻信號的一個電路，并提供幾個數字處理通道，每個通道分別對應一顆衛星(譬如每個接收器有10個通道，甚至16個通道)；而且每個處理通道包括復雜的、高頻運行的數字電路，這些電路中帶有用于相關性計算與用于偽隨機代碼跟蹤(slaving)的回路，以及用于相關性計算以及用于跟蹤該衛星信號的載波頻率相位的回路。
即使對只采用兩個接收天線的簡單航向測定，整個姿態測定單元也可能變得非常昂貴。本發明的一個目的是一方面使所需電路減至最少，另一方面通過重復使用與現有定位接收器中完全相同的模擬與數字處理電路來提供一個安裝簡單且并不昂貴的設備；所以，需要修改的僅僅是數值計算軟件，而不是那些用來制造測定偽距離的模擬與數字處理電路的集成電路芯片。
這就是能根據本發明來提供一個用于測定運動體方向的設備的理由，該設備包括至少兩個用于接收基于衛星的定位信號的天線；一個用于接收與用于處理這些天線所接收到的無線電信號的共用電路；一個模/數轉換電路；N個數字處理通道，每一個通道都包括一個用于相關性計算以及用于跟蹤本地周期偽隨機代碼位置及本地載波相位的電路，這些通道的每一個都提供從各自的一顆衛星接收到的信號與該本地代碼之間的相關性測量值，以便使該本地代碼與該本地載波能跟蹤所接收到的信號；而且該設備還包括一個用于接收從這些通道發出的數字相關性測量值以及用于控制該跟蹤電路的計算裝置，這一設備的特征為-這些天線被安裝在一個公用外殼內，該外殼包括切換裝置以便將該第一天線發出的信號與該第二天線發出的信號交替引導至用于接收與用于處理該無線電信號的電路，該切換裝置的動作周期最好是該偽隨機代碼周期的倍數，-該公用外殼通過一根單獨的同軸電纜被連接到用于接收與處理這些無線電信號的共用電路，該電纜同時傳輸這些無線電信號、一個天線供電電壓以及控制用來切換該天線的切換裝置的一個周期提示，-用于接收與處理無線電信號的電路，它包括一個用于跟蹤每個通道代碼的數字信號計算裝置；這一裝置最好根據這兩個天線發出的信號來動作而與這些天線的切換無關，-該接收與處理電路還包括一個用于跟蹤每個通道載波的一個數字信號計算裝置，這一裝置只根據從該第一天線接收到的信號動作，-該接收與處理電路還包括一個為每個通道計算該第一天線上接收到的載波與該第二天線上接收到的載波之間相位差的裝置，這一裝置一方面根據從該第一天線接收到的信號動作，另一方面根據從該第二天線接收到的信號動作，而該跟蹤電路仍由根據該第一天線發出的信號計算所得的載波跟蹤信號來控制。
本發明的原理實際上包括在等于該偽隨機代碼持續時間的倍數的一個時間段內接收從該第一天線發出的一個信號，在這個時間段結束時計算可以構成載波相位跟蹤命令的第一數值，并實際利用這個命令來作為載波相位跟蹤信號，然后在等于該偽隨機代碼持續時間的倍數的一個時間段內接收從該第二天線發出的一個信號，而且在這個時間段結束時利用與該第一數值計算相同的方式來計算可以構成能用于該第二天線載波相位跟蹤的跟蹤命令的第二數值，但是仍然利用該第一數值來確定該載波相位跟蹤信號，以及利用該第一與第二數值的組合來計算該方向。
實際上，該計算包括在接收來自該第一天線的信號期間確定第一數值IpA與QpA，它們分別代表在等于該偽隨機代碼持續時間的時間段結束時的同相與90°相差相關性結果，以及在接收來自該第二天線的信號期間確定相應的第二數值IpB與QpB；計算數值arctan(QpA/IpA)并在無論使用哪個天線時都利用它作為載波相位跟蹤命令；以及按照2π的定義來計算數值反正切atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表這兩個天線從同一顆衛星所接收到的信號之間的相位差，這一相位差將被用來計算連接這兩個天線的向量的方向。在相位差達到2π時，要重構相位差曲線的連續性來避免跳變。
該天線切換電路最好包括一個用來將DC電壓的兩個電平交替施加到該同軸電纜(它將該外殼連接到該接收與處理電路)輸出的裝置，而該DC電壓則是疊加在沿這個電纜(從該天線至該接收器)傳輸的無線電信號之上；一個用于探測這個電纜或這個鏈接輸入處電壓電平的電壓電平探測器；一個由該電平探測器控制的開關，該開關根據探測到的電壓電平將(由該電纜上的DC電壓發出的)供電電壓引導至連接到該第一天線的第一天線信號放大器或者引導至連接到該第二天線的第二天線信號放大器，這兩個放大器的輸出被連接到該同軸電纜的輸入端以便在該電纜上根據施加到該電纜輸出端的DC電壓電平來傳輸從該第一天線發出的信號或者從該第二天線發出的信號。
當這些天線被遠程安置得距該接收器有一定距離時，這一結構可以實現期望的切換而不需要在該信號接收器與這些天線之間進行特殊的供電或切換連接。只通過一根單獨的同軸電纜來就可以實現對這些天線與(位于該天線附近的)對它們的放大器的DC供電以及實現該切換命令，該同軸電纜另一個方向上則被用來將這些天線信號送回該接收器。
從這兩個天線發出的無線電信號由一個可以與現有技術中完全相同的頻率變換電路進行模擬處理，本發明的原理并不需要設計一個不同的電路。然后這些信號按照與現有技術相同的方法被轉換為數字信號。最后，它們進入數字信號處理通道，這些通道的硬件設計與現有技術相比也沒有變化。這些數字信號處理通道將數值傳送到管理這些通道的計算裝置，并接收來自這一計算裝置的數值。這一計算裝置所用的運行軟件與現有技術不同，但改進該軟件的成本將大大低于設計與改進復雜集成電路芯片的成本。
所以，符合本發明的測定姿態的設備就能夠按照特別經濟的方法來制造。
閱讀下面參考所附例圖給出的詳細說明，本發明的其他特征與優點將會變得顯而易見。這些例圖為-

圖1代表測量運動體方向的一套裝備的一幅總體視圖；-圖2代表與這些天線連接的接收器的總體電路圖；-圖3代表該天線切換電路；-圖4代表該接收器的一個數字處理通道的通用體系結構。
圖1代表準備安裝在(譬如說)船上用于檢測該船航向的方向探測裝備的通用結構。
在所述的示例中，該裝置包括兩個用于接收衛星定位信號的天線，為了測量航向并附帶測量側搖與縱仰，一個天線試圖測量連接這些天線的中心的向量的方向，而不考慮該空間運動體的其他方向。但本發明也適用于3個不成一行排列的天線的情況，這樣可以全面測定沿3根軸的方向。
兩個天線10與12被安裝在一個帶有塑料罩或天線屏蔽器的公用外殼14中；這個外殼由一個公用支柱15支承，而且天線的中心A與B相隔一個已知距離D。該支柱(如果沒有支柱則指該外殼)要被固定在該船之上，支柱上標有向量AB相對于該船總體軸線的方向基準標記，這樣，就可以從這一向量的方向來推導該船舶的航向。
舉例來說，天線中心之間的距離可以為幾十厘米。
用來保護這些天線的外殼還可以容納模擬電子電路(譬如前置放大器)，正如以后將會看到的那樣，它還可以容納一個天線切換控制電路。
用通用參考數碼16表示的衛星定位信號接收器包括一個無線電信號接收電路、一個模/數轉換電路以及可以測量偽距離的若干數字處理電路。它的安裝位置最好遠離該天線以及支柱；譬如說，可以將它安裝在該船的內部，而將天線支柱安裝在船外。它只用一根單獨的同軸電纜17(由它的屏蔽層包圍的單根導線)連接到該天線支柱。
最后，一個用于計算并用于控制該接收器的裝置18(它這實際上是一臺帶有存儲器并帶有運行程序的微計算機)由數字鏈接連接到該接收器。該計算裝置被連接到多種適合各種應用場合的外圍設施，如顯示器20、鍵盤22、數據或程序閱讀機/記錄器24、向用戶進行有線或無線傳輸的裝置、或者連接到傳輸該計算結果的線路的簡單輸出接口。在一個“羅盤”型系統中，功能16、18、20、22、24被組合在一個單獨的裝置之中。
圖2非常詳細地表示了接收器16的通用結構體系，它的一端被連接到天線10與12，另一端被連接到計算裝置18。
一個切換電路30使它可以向接收器16既傳輸天線10從這些衛星接收到的信號，也傳輸天線12接收到的信號。在所述示例中，該切換作用是周期性的，該周期是對衛星發出的信號進行調制所用的偽隨機代碼的發送周期的倍數。大家知道，對GPS與GLONASS系統的定位衛星的C/A代碼而言，這個周期是1毫秒。對這些系統的其他代碼或者對其他系統，周期可能不同。實際上，最好每2毫秒進行一次切換操作，所以該接收器就能夠交替地從天線10接收信號2ms，然后在隨后的2ms中從天線12接收信號，如此一直進行下去。該多路傳輸控制使得該切換時間與2毫秒的持續時間相比可以忽略。
由于天線離接收器很遠，而且還必須補償將這些天線連接到該接收器的同軸電纜17上可能發生的線路損失，所以切換電路30還能適應對由這些天線接收到的信號的前置放大功能。
接收器16在其輸入端包括一個電路34來接收這些天線所收到的無線電信號。這個電路34執行頻率轉換操作，使由這些傳輸衛星進行相位調制的載波無線電頻率降為一個較低的頻率。通常，要準備將GPS系統的1575.42MHz的載波頻率降低到175.42MHz，但是也可以設想其他的可能性。考慮到隨后的模/數轉換操作，該無線電接收電路最好包括一個自動增益控制電路，以使它能夠優化其輸出端發送的信號電平。
該頻率轉換與該模/數轉換需要一些操作來產生穩定的、眾所周知的、而且還可用于模/數轉換之后的數字信號處理的本振頻率。為易于理解，圖2中畫了一個與無線電接收電路34分離的時鐘信號發生電路36。這個電路包括至少一個由石英加以穩定的時基，舉例來說，它發送一個20MHz的基準時鐘頻率；它也包括頻率相乘與相除的電路，除了頻率轉換(通常從一個1400MHz的頻率轉換為1575.42MHz至175.42MHz)所需的本振頻率之外，這些乘除電路還發送該接收器作為整體運行所需的各種時鐘頻率。在所述的示例中，為了驅動該模/數轉換可能需要一個100MHz的采樣頻率，為了使該相位調制下降到位于175.42MHz的基帶可能需要一個25MHz的頻率，而且在該數字信號處理電路內部還可能需要更低的100kHz、2kHz與1kHz的頻率。實際上，對20MHz以上的高頻，該頻率綜合可以在該無線電接收電路中進行，對較低頻率(100MHz以下)則可以在該數字處理電路中進行。
時鐘信號發生電路36控制外殼14中的切換電路30，以便以1毫秒(來自這些衛星的信號中的偽隨機代碼周期)的倍數作為一個周期對來源于這兩個天線的信號進行多路傳輸。在圖2中，用一個箭頭表示這一命令。但是應當明白，該多路傳輸控制信號沿該單根同軸電纜17傳播。
這里不詳細描述無線電信號接收電路34，因為它可以按照常規方法來構造。
由電路34加以處理的信號經一個模/數轉換器38進行轉換，舉例來說，該轉換器運行于100MHz的頻率，而且在這一情況下執行該信號的、處于中間頻率175.42MHz的一個二次采樣。在所述示例中，該轉換是在兩個位上的基本轉換，即一個符號位與一個振幅位。該轉換結果最好被送回該無線電接收電路來滿足使該轉換器以最優方式運行的自動增益控制的需要。
但是，模/數轉換結果主要被傳輸到能確定那些可以測定這些衛星與這些天線之間偽距離的數字測量值的數字信號處理電路。這個電路實際包括N個平行通道CH1、CH2、......，每個通道處理從指定衛星接收到的信號。通道的數量通常在8至16之間。
可以回想一下，在GPS系統中每顆衛星發射一種載波頻率(L1)，它一方面在相位跳變(0，π)上由該衛星特有的偽隨機代碼調制，該代碼的位周期(“chip”)為1微秒，而它的總長度為1毫秒，另一方面又由一個更低頻率(50Hz)的導航數據調制。每個數字處理通道產生一個本地載波頻率與一個本地偽隨機代碼，而且包括多個使該本地代碼與該本地載波能跟蹤從相應于這一通道的某顆衛星接收到的代碼與載波的電路。
計算裝置18接收從這些通道發出的數字測量值，控制它們的運行(特別是跟蹤電路的運行)，而且一方面計算該接收器的位置，另一方面計算向量AB的方向，它們是各通道內該代碼位置與該載波相位的一個函數。
圖3表示原創的切換電路30，它可以周期地、交替地先將天線10的信號施加到無線電接收電路34的輸入，然后施加天線12的信號。天線10將被稱為主天線。天線12將被稱為副天線。對來自該主天線的信號的使用方法與對來自該副天線的信號的使用方法不同。如果多于兩個天線，就會有一個主天線與幾個副天線，而且該切換電路將執行循環排列以便將來自所有天線的信號順序施加到該接收器。
每個天線的信號施加持續時間是該偽隨機代碼持續時間(1ms)的倍數。該持續時間最好為2毫秒。可以考慮對該主天線與該副天線采用不同的持續時間，對該主天線可以分配一個較長的持續時間(譬如3或4ms)以便支持它的衛星信號獲取與跟蹤功能。
切換電路30按照如下原理動作在外殼14中將主天線10與副天線12中的每一個連接到各自的前置放大器PRa與PRb。對這些前置放大器中的一個供電，但不同時對兩者供電。未供電的那個放大器不傳輸與它連接的天線所發出的無線電信號。供電的放大器對來自相應天線的信號起前置放大器的作用。這些前置放大器的輸出被鏈接成能夠發送該前置放大信號的單獨輸出，而不管它來自哪個天線。
而且，這些前置放大器的供電來源于施加到將這些天線連接到該接收器的同軸電纜17的芯線上的DC電壓，這個DC電壓被疊加到沿該同軸電纜傳播的無線電信號之上。該DC電壓在接收器16內部生成，并經由它的輸出，就是說經由它連接到接收器16的一側被連接到該同軸電纜；所以在外殼14內部不需要電源，也不需要用于對這些前置放大器供電的特殊連接。同軸電纜17在下行鏈路方向上將來自這些天線的無線電信號送到該接收器，同時在上行鏈路方向上將來自該接收器的電能送到這些天線。
最后，由該接收器施加的DC電壓有兩種可能的電平V1與V2，它們可由在外殼14內的天線附近安裝的、基于閾值的比較器加以探測，而且該基于閾值的比較器根據所探測到的電平來控制其中一個前置放大器的供電。
所以，采用能將來自這兩個天線的信號傳輸到該接收器的單根同軸電纜17，就能夠從接收器16遠程對這兩個天線進行供電與切換。前置放大器只牽涉很低的功率，所以相對于切換周期而言，其切換操作極為迅速。如果有3個天線，那么很明顯，必須對該同軸電纜的芯線施加3個電平，而且該比較器必須被替換成一個電壓電平探測器或者被替換成能區分這3個電平的基于雙重閾值的比較器。
圖3表示一個能適用于這一切換原理的電路圖。該接收器向同軸電纜17的芯線的輸出端40施加的電壓電平可以在一個開關的控制下取值V1或V2(譬如說分別為3伏與9伏)，該開關則受每2毫秒就改變狀態的時鐘信號控制。可以在該開關與該同軸電纜芯線之間插入一個低值的電感來防止無線電信號傳輸到提供該電平V1與V2的電壓源。
屏蔽該同軸電纜的套管在該接收器一側以及在該切換電路一側接地。
該同軸電纜芯線的輸出端40通過一個鏈接電容器被連接到無線電電路34，所以該DC電壓V1或V2不干擾電路34的運行。
電纜17的輸入端42通過一個解耦電容器被連接到放大器AMP的輸出端。該放大器AMP(可選部件)放大來自天線10的信號，也放大來自天線12的信號，這與只被分配給各自天線的前置放大器PRa與PRb不同。
電纜的一端42也最好通過一個能允許該DC電壓通過、但能阻檔該無線電信號的電感器連接到電壓調節器REG的輸入，該電壓調節器不管它接收V1還是V2，都在它的輸出端送出一個固定電壓V0(譬如說5伏)。電壓V0被用來為前置放大器PRa與PRb供電，而且也為放大器AMP供電。
施加到該調節器PEG輸入端的電壓V1或V2也被施加到電平探測器COMP的輸入端，該電平探測器根據輸入電壓是V1還是V2來送出一個高或低邏輯信號。這個電平探測器可以是一個能將接收到的電壓與閾值(可以為(V1+V2)/2)進行比較的、基于閾值的簡單比較器。
電平探測器COMP的輸出控制一個能將電壓V0作為電源施加到前置放大器PRa或者PRb的開關K。而且還可以提供一些電感器來防止經由該電源供電通路造成的、任何不希望的無線電信號再次注入。
前置放大器PRa與PRb的輸出通過解耦電容器進行連接，而且都被連接到放大器AMP的輸入端。
所以，在主天線10發出的信號通過前置放大器PRa與放大器AMP時，不對前置放大器PRb供電，而且這些信號被施加到同軸電纜2毫秒；然后，在隨后的2毫秒內，副天線12發出的信號通過前置放大器PRb與放大器AMP到達同軸電纜，而前置放大器PRa則不供電。
由于這些天線的切換就是交替為一個前置放大器供電，而將另一個供電切斷，所以就可能將該接收器與該天線支柱的鏈接減少為一根單獨的同軸電纜。這樣切斷電源就能保證高于60dB的天線信號的電氣分離(隔離)，而不需要添加任何額外的部件，譬如不需要添加PIN二極管或場效應晶體管。
從同軸電纜17發出的信號經由電路34(圖2)處理，主要是執行頻率轉換、帶通濾波與自動增益控制。然后，這些信號被轉換器38轉換為數字信號。這些數字化后的采樣(譬如說在兩個位上進行數字化，其中一位是100MHz頻率的符號位)被平行施加到所有數字處理通道CH1、CH2等等。
這些數字處理通道可以與常規接收器的通道完全一樣，而且可以采用與現有芯片相同的集成電路芯片來制造，所以能使該系統的設計成本降至最低。下面將參考圖4來簡單地描述一個示例性通道，它可以說明本發明以何種方式使用這些通道所發出的數值。
可以回想一下，每個通道包括一個本地代碼發生器來發送與特定衛星相應的一個代碼、一個相關器來進行由該天線接收到的信號與該本地代碼的相關性運算、以及一個跟蹤回路來將該本地代碼的傳輸開始時刻平移到一個使該相關性水平最大的位置。所以，如果該天線從與該天線所接收的信號中的代碼相對應的衛星接收信號，那么該本地代碼發生器便使自己與該代碼同步。
每個通道還包括一個本地載波相位發生器、一個對該天線所收到的信號與該本地載波相位發生器所產生的相位進行相關性運算的相關器、以及一個使本地發生器的相位平移到能使該相關性水平最大的位置的跟蹤回路。
實際上，被分為一個直接信號I與一個90°相差信號Q的天線信號既要與偽隨機代碼相乘，也要與本地載波相位的正弦與余弦相乘，而且這些相乘的結果被組合起來產生兩個相關信號，其中一個作用于該本地代碼發生器，另一個作用于該載波相位發生器，從這一意義上講，這些代碼與相位跟蹤回路是相互嵌套的。而且，可能會存在幾個平行運行的相關與跟蹤回路，一個回路按所謂準時本地代碼運行，而另一個或其他各個回路則按比該準時代碼遲延與提前一個位周期或一個位周期之一部分的本地代碼運行。與該提前及遲延信號的相關性以及與該準時代碼的相關性被組合到一起以便更好地跟蹤該本地代碼；與該準時代碼的相關性可被用來計算載波相位跟蹤信號。這涉及基于衛星的定位接收器中的常規設計。
這種代碼位置與載波相位的雙重相關性結果被送到計算裝置18。它們一方面被用來實現這些回路的跟蹤，另一方面向計算裝置18提供關于天線與相應于這個數字處理通道的衛星之間的偽距離的搜索信息。具體來講，該偽距離一方面由所接收代碼的當時位置來定義(該偽距離的粗略值)，另一方面由該載波相位來定義(精確值)。該運動體方向的精確測定依賴于這兩個天線所接收到的載波相位差，對距離幾十厘米的天線而言該代碼位置差非常小。
在圖4所述的示例中，認為每個通道接收24.58MHz的采樣，該采樣來自175.42MHz中間頻率的(由轉換器38產生的)100MHz的二次采樣。這些信號被平移0.42MHz而轉換成為單個邊帶，此后一個25MHz的采樣就能夠在基帶(載波頻率被下降到接近于0)中發送同相以及90°相差采樣，記為Ibb與Qbb。對每個通道，正是這些采樣要被用來與一個本地偽隨機代碼與一個本地載波頻率(理論上為零，但實際上由于這些衛星的運動、運載該天線的運動體的運動以及該衛星振蕩器與該接收器振蕩器之間的偏差所引起的多普勒效應而不為零)進行相關性計算。
圖4以示例方法所表示的是一方面與一個準時(punctual)P代碼、另一方面與一個所謂E-L代碼的常規相關性運算，該E-L代碼表示比該準時代碼提前與遲延一個位周期或一個位周期之一部分的代碼的差。該P代碼與該E-L代碼由本地代碼發生器50產生。該P代碼(從而該E-L代碼)的起始位置由第一數字相位控制振蕩器NCO1確定，而NCO1的相位與頻率則由來源于計算裝置18的數字信號加以控制。
一個本地載波頻率(它代表與所考慮通道對應的衛星的多普勒頻率)由第二數字相位控制振蕩器NCO2產生，同樣也由計算裝置18控制。這一頻率驅動一個正弦與余弦計算電路52，并根據振蕩器NCO2的輸出相位p來確定代表這一相位的正弦與余弦值sin(p)與cos(p)。最好每10微秒發送一個正弦采樣與一個余弦采樣。
采樣Ibb與Qbb在準時相關性回路中與該本地準時P代碼相乘，在該E-L相關性回路中與該E-L代碼相乘。相乘的結果在累加器54、55、56與57中進行累加，這些累加器在10微秒(累加250個25MHz的采樣)后確定FIR類型濾波結果。同相，采樣Ibb與90°相差采樣Qbb的累加結果與該P與E-L代碼相乘，對準時相關性通路分別用量值Ip與Qp標記，而對E-L差分相關性通路則用Id與Qd標記。然后，它們的每一個都與該載波相位的正弦與余弦相乘。
計算結果Ip·sin(p)、Qp·sin(p)、Ip·cos(p)與Qp·cos(p)在加法器與減法器中進行組合，并在該準時相關性通路中分別構成量值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)與Qp·cos(p)-Ip·sin(p)。類似地，在該E-L差分通路中構成量值Id·cos(p)+Qd·sin(p)與Qd·cos(p)-Id·sin(p)。
對該準時通路，組合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)與Qp·cos(p)-Ip·sin(p)分別在累加器64與65中對100個Ip與Qp采樣(即對1ms的偽隨機代碼持續時間)進行累加。
根據該累加是對主天線10的采樣進行還是對副天線12的采樣進行而標記為IpA與QpA或者IpB與QpB的新數值以1kHz的頻率被周期地從累加器64與65輸出。
同樣，對該差分通路，組合值Id·cos(p)+Qd·sin(p)與Qd·cos(p)-Id·sin(p)分別在累加器66與67中對100個Id與Qd采樣進行累加，從而為該主天線產生數值IdA與QdA，為該副天線產生IdB與QdB。
所有這些數值以一個1微秒的更新周期被送到計算裝置18，但是這些天線每2毫秒進行切換，所以實際上在這個示例中，兩個相繼的量值IpA與兩個相繼的量值IpB交替出現；同樣，量值QpA、IdA、QdA也被相繼計算兩次，然后再輪到QpB、IdB、QdB被相繼計算兩次。
根據本發明，該代碼借助于這些累加器發出的信號而被跟蹤，不需要考慮它們是來源于天線A還是天線B，而且舉例來說，為了做到這一點要計算如下量值。對天線10要計算(IpA·IdA+QpA·QdA)/(IpA2+|IpA·IdA+QpA·QdA|)
對天線12要計算(IpB·IdB+QpB·QdB)/(IpB2+|IpB·IdB+QpB·QdB|)這些每2毫秒交替變換一次的量值就像來自同一個天線那樣接收處理。它們通過計算而被濾波，以便確定一個驅動該數字相位控制振蕩器NCO1的誤差信號；該振蕩器的目的是在一個力圖使該誤差信號最小的方向上修正該偽隨機代碼位置，從而使該本地代碼與從對應于這一通道的衛星所接收到的代碼同步。但是，也可以設想只根據該主天線發出的量值來計算該誤差信號。
而且，用于跟蹤該第二數字振蕩器NCO2的信號僅僅根據從該第一天線發出的數值IpA與QpA來計算。這個信號根據在π之內并不確定的量值arctan(QpA/IpA)來計算，而這個量值則是在該計算裝置中根據累加器64與65發送這些結果IpA與QpA時的輸出來確定。但是，當這些累加器在連接到該副天線后發送信號IpB與QpB的同時，該計算裝置繼續發送以前根據數值arctan(QpA/IpA)計算的同樣的跟蹤信號。該跟蹤信號的計算牽涉到數值arctan(QpA/IpA)的濾波。
來自振蕩器NCO2的數值輸出代表(被轉換到基帶的)本地載波的相位，該載波則代表該接收器與該衛星之間的多普勒頻率；這一相位將會與主天線10上從該衛星接收到的載波相位同步。
為了確定從這兩個天線接收到的載波相位的差，該計算裝置要根據從這兩個天線相繼接收到的數值IpA、QpA與IpB、QpB確定如下數值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]
具體地講，這個數值(它等于定義在2π區間上的arctan[(IpB·QpA-QpB·IpA)/(IpA·IpB+QpA·QpB)]，而不像常規實施例中那樣定義在π之內，該函數的第一項是該角度的正弦，第二項是余弦)代表搜索相位差。這一相位差和該衛星與這兩個天線之間的無線電波通道中的差值有關。知道了該無線電信號的波長、這兩個天線之間的距離、該接收器的位置(由計算裝置18根據在所有通道上的測量值確定)、以及該衛星在該相同時刻的位置，就能夠由此推導出一個與連接這些天線的向量AB以及垂直于該接收器/衛星軸線的平面之間的夾角有關的提示。在其他通道進行同樣的計算，就能夠完全測定該向量在空間中的方向。
通過控制這些相鄰的相位值，就可以在一圈之外(beyond onerevolution)重構兩個天線之間相位差數據的連續性。時刻N-1的相位可從時刻N的相位推算；將這個差與+π與-π進行比較，如果該結果超過π，那么就認為已經穿過了0或2π而超過一圈；然后增加或扣除2π進行校正。這一過程對噪聲很敏感，所以附加一個(數字)濾波器，而且將這個濾波器輸出處的相位與輸入處的相位進行比較來探測并校正由于噪聲引起的圈數跳變。所以要對兩個天線之間的相位差進行連續的、濾波后的測量。與帶有π不確定性的、測量常規相位差的傳統求解結果比較，這一過程可以更加可靠地、而且更加簡單地消除航向求解結果中的相位不確定性。
應當注意，通過確定2π之內的反正切來計算相位差的、符合本發明的這一方法更加便于使用，它與這兩個天線有無多路傳輸無關。它甚至還可以加以推廣來測定只具有一個單獨天線的運動體的位置(不是測定取向)，而且在其中通過連續跟蹤該相位數據來確定該運動體相對于已知先前位置的位置。在這種情況下，數值atan2采用量值IpB·QpA-QpB·IpA(該相位的正弦)與IpA·IpB+QpA·QpB(該相位的余弦)作為自變量來計算，其中IpA與QpA代表對該運動體的(已知的或先前計算所得的)第一位置的測量值，IpB與QpB代表對(需要確定的)第二位置的測量值。根據應用場合，由atan2計算相位差既適合于從兩個天線發出的信號，也適合于從同一個天線連續接收到的信號。
應當注意，確定該問題的幾何解既可以按傳統方法通過連續近似來進行，也可以根據2000年4月21日的現有專利申請FR 00 05183所示的方法進行。不需要校準程序。
點B的位置是相對于點A測定的，而不是相對于獨立的基準，從這個意義上講，該方向計算是差分計算。這一測定是根據相位或在各點測得的偽距離的差來進行的。
總體而言，根據偽距離雙重差分(一對衛星之間的偽距離的差)的傳統概念條文，其計算原理如下-借助這些衛星的天體位置推算表在測量時刻t計算這些衛星的位置；-根據偽距離的差分測量值來確定點A與點B之間沿該衛星瞄準軸線的差分距離。這些距離可以從總體角度看作A與B之間的距離沿這些軸線的投影；這些距離是測量距離；-平行計算點A的估計位置與點B之間沿同樣軸線的距離；這些距離是估計距離；這些估計位置或者可從先前進行的計算獲得，或者可從估計點在以點B為中心、D為半徑的圓周或球面的一部分上的分布來求得；-沿每個軸線確定該測量距離與該估計距離之間的差，這可以被稱為沿這一軸線的偏差值或“新息”；-借助于代表這些衛星瞄準軸線方向的方向余弦矩陣，根據這些偏差值來計算點A的測量位置與該估計位置之間在縱向、橫向與姿態方面的偏差；-將該計算偏差值加到該初始估計位置，就獲得點A的一個計算位置，它或者是一個確定的位置，或者是一個為后續計算步驟所用的新的估計位置；-將點A位置的該確定值轉換為希望的方向信息(特別是航向)。
應當注意，為了在以后測定方向，該接收器位置的測定十分重要，哪怕是近似的也行。這一測定的先決條件是獲得衛星導航數據。這種獲取是通過探測該偽隨機代碼開始處出現的相位跳變，并根據50Hz的數據解調來實現的。現在，這些數據調制跳變或者是在由該主天線獲取期間出現，或者在由該副天線獲取期間出現。對由于導航數據而引起的相位跳變的探測通常通過觀察數值Ip的符號來實現，它采用在該偽隨機代碼的半個周期內累加組合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)的累加器69。
如前所述，如果在由該副天線12獲取的期間內出現相位跳變，那么就必須避免計算這些天線之間的相位差。具體地講，這一計算將會由于測量過程中間的相位跳變而出現錯誤。所以，也要排除在相應的4毫秒周期內的相位差測量。通過與該通道處理所確定的數據速率同步，就可以知道由于該數據調制所引起的相位跳變可能出現的時刻。該計算裝置跟蹤隨后的變化，在任何時刻都能夠知道在該主天線或者該副天線接收期間是否存在二進制數據的邊界。這可以使導航數據信息得以完全重構，而不會由于這些天線的切換而丟失。
這里已經描述了一個能確定運動體方向的、價格便宜而且特別簡單的接收器。該設備絲毫沒有降低該導航數據的恢復質量。它可以與當代系統一道使用，譬如GPS(50Hz調制)、GLOANASS(100Hz)、WAAS/EGNOS/MSAS(500Hz)，也可以與未來的Galileo系統(伽利略系統)一道使用。在WAAS/EGNOS/MSAS信號情況下，對由這些衛星傳輸的信號的數據調制(天體位置推算表等等)按照500Hz進行，這是一個與這些天線的切換頻率接近的頻率。在這一情況下，該數據必須采用兩個天線來恢復，而無需這兩個天線之間的相位偏差。所以希望對每顆衛星使用兩個處理通道而不是一個處理通道，每個通道都與一個天線關聯。但是分配給GPS或GLONASS衛星的其他通道仍保留多路傳輸以便交替接收來自這兩個天線的信號。
在P個天線上接收N顆衛星只需要標準的N通道接收器，而不需要一個P×N通道的接收器。
權利要求
1.一個測定運動體方向的設備，包括至少兩個用于接收基于衛星的定位信號的天線(10、12)，一個用于接收并用于處理由這些天線接收到的信號的共用電路(34)，一個模/數轉換電路(38)，N個數字信號處理通道(CH1、CH2、......)，每個通道包括一個用于相關性運算以及用于跟蹤本地周期偽隨機代碼位置與本地載波相位的電路，這些通道的每一個都發送從各自衛星接收到的信號與本地代碼之間的相關性測量值以便使該本地代碼與本地載波能跟蹤該接收到的信號，該設備還包括一個用于接收從這些通道發出的數字相關性測量值并控制該跟蹤電路的計算裝置(18)，該設備的特征為-天線(10、12)被安裝在一個公用外殼(14)中，該外殼包含一個切換裝置(30)以便將從該第一天線(10)發出的信號與從該第二天線(12)發出的信號交替引導至用于接收并用于處理該無線電信號的電路(34)；-該公用外殼(14)被用一根單獨的同軸電纜(17)連接到用于接收并用于處理無線電信號的電路(34)，該同軸電纜同時傳輸該無線電信號、一個天線供電電壓以及一個用于控制切換該天線的切換裝置的周期提示；-無線電信號接收與處理電路(34)包括一個計算裝置，它計算用于跟蹤每個通道的代碼的數字信號；-該接收與處理電路還包括一個計算裝置，它計算用于跟蹤每個通道載波的數字信號，這一裝置僅僅根據從該第一天線接收到的信號動作；-該接收與處理電路還包括一個計算裝置，它計算每個通道在該第一天線上接收到的載波與在該第二天線上接收到的載波之間的相位差，這一裝置一方面根據從該第一天線接收到的信號動作，另一方面根據從該第二天線接收到的信號動作，但同時該跟蹤電路仍由根據該第一天線發出的信號計算所得的載波跟蹤信號來控制。
2.權利要求1中所要求的設備，其特征為，計算用于跟蹤每個通道代碼的信號的裝置根據從這兩個天線發出的信號動作，而與天線的切換無關。
3.權利要求1或2所要求的設備，其特征為，計算該載波跟蹤信號的裝置包括在接收來自該第一天線(10)的信號期間確定第一數值IpA與QpA的裝置，這些數值分別代表在等于該偽隨機代碼持續時間的一個時間段結束時的同相與90°相差相關性結果，以及在接收來自該第二天線(12)的信號期間確定相應的第二數值IpB與QpB，還包括計算數值arctan(QpA/IpA)的裝置，該數值可在接收來自這兩個天線的信號期間用來確定載波相位跟蹤信號。
4.權利要求3中所要求的設備，其特征為，該計算相位差的裝置包括計算數值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]的裝置，該數值代表這兩個天線從同一顆衛星接收到的信號之間的相位差。
5.權利要求1至4中的一款所要求的設備，其特征為，該天線切換電路(30)包括一個將DC電壓的兩個電平(V1、V2)施加到鏈接的輸出端(40)的裝置，這些電平被疊加到經過這一鏈接傳播的無線電信號之上；一個用于在這一鏈接的輸入端(42)探測該電壓電平的電壓電平探測器(COMP)；一個由該電平探測器控制的開關(K)，它根據所探測到的電壓電平將從該鏈接上存在的DC電壓發出的一個供電電壓(V0)引導至連接到該第一天線(10)的第一天線信號放大器(PRA)，或者引導至連接到該第二天線(12)的第二天線信號放大器(PRB)，這兩個放大器的輸出都被連接到該鏈接的輸入端(42)，以便根據施加到該鏈接輸出端的DC電壓電平來將從該第一天線發出的信號或者從該第二天線發出的信號傳輸到該鏈接的輸出端(40)。
6.前述權利要求中任一項所要求的設備，其特征為，該天線切換裝置(30)的一個動作周期是該偽隨機代碼周期的倍數。
7.一個根據衛星信號測定運動體方向的處理方法，該信號包括一個由偽隨機代碼進行編碼的載波頻率，在該方法中執行的步驟包括產生一個本地代碼以及一個載波；在等于該偽隨機代碼持續時間的倍數的一個時間段內接收從第一天線(10)發出的一個信號；在這個時間段結束時計算可以產生本地載波相位跟蹤命令的第一數值(IpA，QpA)，并實際利用這個命令作為載波相位跟蹤信號；此后在等于該偽隨機代碼持續時間的倍數的一個時間段內接收從第二天線(12)發出的一個信號；還在這一時間段結束時計算第二數值(IpB，QpB)，該第二數值可以產生能夠用于該第二天線載波相位跟蹤的跟蹤命令，但是這一時間段結束時繼續利用該第一數值來確定該載波相位跟蹤信號；以及利用該第一與第二數值的組合來計算這兩個天線之間的載波相移，并利用這一相移來計算該運動體的方向，這一處理方法的特征在于-該第一數值是數值IpA與QpA，它們分別代表接收來自該第一天線的信號期間在等于該偽隨機代碼持續時間的時間段結束時的同相與90°相差相關性結果，而且該第二數值是在接收來自該第二天線的信號期間的相應值IpB與QpB，-計算一個數值arctan(QpA/IpA)，并在使用任何一個天線時將其用作載波相位跟蹤命令，-以及計算一個數值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表這兩個天線從同一顆衛星接收到的信號之間的相位差，這個相位差被用來計算連接這兩個天線的向量的方向。
全文摘要
本發明涉及借助GPS信號來測定運動體的方向。根據本發明，提供了一個接收器(16)，它包括用于對從幾個天線(10、12)發出的信號進行數字處理的一個單獨通道組件，這些信號經由一個單獨鏈接(17)到達該接收器，該鏈接也被用來為該天線前置放大器供電并為至少兩個天線進行多路傳輸。用于對衛星信號進行數字處理的這些通道利用來自這些天線的信號以便執行對本地偽隨機代碼的跟蹤，但僅僅利用從主天線(10)發出的信號來執行對本地載波相位的跟蹤。這些天線之間的信號的相移可被用來測定連接這些相對位置已知的天線的向量的方向，該相移可以由能在任何GPS接收器中常規確定用于跟蹤相位與載波回路的信號的那些數字相關值來計算。特別適用于測定一艘船的航向。能夠用于任何類型的載體，包括步行者、地面車輛、船只、飛機。
文檔編號G01S5/14GK1463366SQ02802000
公開日2003年12月24日 申請日期2002年3月29日 優先權日2001年4月6日
發明者米歇爾·普里烏, 達尼埃爾·布拉索, 貝特朗·凱梅內, 斯特凡娜·羅萊 申請人:塔萊斯公司