專利名稱：具有可編程邏輯的 l1/l2 gps接收器的制作方法
背景技術(shù)：
本公開內(nèi)容一般涉及全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星接收器，并且更具體地說，涉及其整體體系結(jié)構(gòu)和此類接收器內(nèi)的特定數(shù)字信號(hào)處理部分。
GPS衛(wèi)星分別在154fo和120fo的L1和L2頻帶上發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)，其中，fo＝10.23MHz。每個(gè)L1信號(hào)由對(duì)每個(gè)衛(wèi)星唯一的C/A碼和P碼調(diào)制。兩種碼均為大眾所熟知。每個(gè)L2信號(hào)只由P碼調(diào)制。雖然C/A碼和P碼序列均已知，但每個(gè)GPS衛(wèi)星提供有通過一般稱為W碼的秘密信號(hào)調(diào)制其P碼的能力。這種“反電子欺騙”(A/S)通過防止基于已知P碼的干擾信號(hào)被理解為實(shí)際的GPS信號(hào)，允許GPS系統(tǒng)用于軍事應(yīng)用。P碼和W碼的組合一般稱為Y碼。
獲得對(duì)L1和L2兩種信號(hào)的接入有重要的優(yōu)勢。首先，通過協(xié)處理L1和L2偽距，能夠測量和消除電離層折射，這允許在獨(dú)立應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確度。第二，對(duì)于勘測應(yīng)用，在相位差分系統(tǒng)中使用L1和L2兩種信號(hào)的載波相位測量有重大的優(yōu)勢。補(bǔ)充L1的那些載波相位測量的L2載波相位測量使可觀察物的總量倍增，并且使布置極大改進(jìn)相位模糊度解算的性能的所謂“寬巷”可觀察物成為可能。
然而，用于處理L1和L2信號(hào)的現(xiàn)有系統(tǒng)和方法有缺點(diǎn)。具體而言，例如，隨著GPS系統(tǒng)的發(fā)展，從Y碼恢復(fù)L2載波相位的現(xiàn)有技術(shù)正變得過時(shí)。例如，已知的接收器結(jié)構(gòu)不能利用將變得對(duì)民用用戶可用的新的更魯棒的L2c碼的可能性。已知的接收器結(jié)構(gòu)由于通過專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，因而一般難以或不能適應(yīng)新的應(yīng)用。此外，此類ASIC可能成本高。
另外，已知的接收器結(jié)構(gòu)一般高度消耗能源和其它資源以便以可接受的方式處理L1和L2信號(hào)。因此，需要有在降低硬件復(fù)雜性的同時(shí)保持高質(zhì)量的處理方法和系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例解決了上述顧慮。實(shí)施例可包括用于處理L1和L2信號(hào)的接收器，其中，接收器容易配置為處理其它種類的信號(hào)，如更魯棒的L2c信號(hào)。為此，接收器可包括可編程邏輯，該邏輯能夠例如通過以諸如軟件或固件等電子數(shù)據(jù)的形式的配置文件配置和/或重新配置?？删幊踢壿嬂缭诮邮掌魃想娖陂g，可在中央處理單元的控制下，從存儲(chǔ)器接收配置文件。由于接收器可輕松地經(jīng)配置文件的電子數(shù)據(jù)重新配置，因此，ASIC的不靈活性和成本得以避免。
此外，實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)一種有效的方法，該方法在允許大大降低硬件復(fù)雜性的同時(shí)保持高質(zhì)量。



圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙頻GPS接收器的系統(tǒng)； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的Ln cosh()函數(shù)的分段近似； 圖3示出圖1的系統(tǒng)的RF前端區(qū)塊的電路配置的實(shí)施例； 圖4是在圖1的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電路圖實(shí)施例的框圖； 圖5示出圖4的相移電路實(shí)施例的細(xì)節(jié)； 圖6示出圖4的加權(quán)求和電路實(shí)施例的細(xì)節(jié)；以及 圖7示例根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的中央處理單元(CPU)控制的過程步驟。

具體實(shí)施例方式 如上所述，由于GPS系統(tǒng)在發(fā)展，因此，新的信號(hào)在L2頻率范圍中出現(xiàn)，并且新的信號(hào)計(jì)劃用于L1。消費(fèi)者將從能夠處理各種結(jié)構(gòu)的信號(hào)的多功能接收器中受益。
相應(yīng)地，本發(fā)明的實(shí)施例包括可利用諸如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等可編程邏輯執(zhí)行諸如導(dǎo)航信號(hào)的多信道數(shù)字處理等功能的GPS接收器，不同于過去的為此類功能開發(fā)專用集成電路(ASIC)的方案?？删幊踢壿嬁赏ㄟ^常規(guī)總線和控制信號(hào)連接到可編程中央處理單元(CPU)，并能夠在每個(gè)上電啟動(dòng)時(shí)從CPU接收操作配置文件，并能夠隨時(shí)重新配置。配置文件可存儲(chǔ)在可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)中。CPU可通過常規(guī)總線和控制信號(hào)連接到PROM。CPU可在上電時(shí)從PROM讀取配置文件，并將它寫入可編程邏輯。
接收器還可包括用于將所接收的L1/L2導(dǎo)航信號(hào)放大、過濾、下變頻和數(shù)字化的射頻前端區(qū)塊、PROM及執(zhí)行其它數(shù)據(jù)處理、導(dǎo)航解決方案并與外部主機(jī)系統(tǒng)通信的CPU。
此類接收器體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢包括能夠適應(yīng)現(xiàn)有Y編碼L2信號(hào)及新L2c信號(hào)和其它將來的L1或L2信號(hào)而無需任何硬件修改，這對(duì)于傳統(tǒng)基于ASIC的接收器是困難或不可能的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可只為新信號(hào)創(chuàng)建配置文件。配置文件可發(fā)送到終端用戶。該用戶能輕松地將配置文件傳遞到接收器的CPU，而CPU又可相應(yīng)地更新PROM內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的接收器體系結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)勢在于在接收器的PROM中可存在幾個(gè)配置文件，這些文件可交互地和動(dòng)態(tài)地重新加載到可編程邏輯(例如，F(xiàn)PGA)中以便適應(yīng)接收器操作期間的不同情況。
此類接收器體系結(jié)構(gòu)仍有的另一優(yōu)勢在于它消除了ASIC開發(fā)的高成本。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的GPS接收器例如可在其中需要接入L1和L2兩種載波信號(hào)的勘測和高精確度導(dǎo)航(運(yùn)動(dòng)學(xué))應(yīng)用中使用。測量兩種信號(hào)的偽距和偽多普勒相位使得補(bǔ)償GPS信號(hào)的電離層折射成為可能，并確保在勘測(運(yùn)動(dòng)學(xué))應(yīng)用中的快速相位模糊度解算。
如之前所述，本發(fā)明的實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)一種有效的方法，該方法在允許大大降低硬件復(fù)雜性的同時(shí)保持高質(zhì)量。該方法可執(zhí)行例如與如下面所述似然函數(shù)的近似相關(guān)聯(lián)的操作。
復(fù)輸入L1和L2信號(hào)可在連續(xù)時(shí)間中表示為

復(fù)L1信號(hào)(1)

復(fù)L2信號(hào) 其中，a1、a2相應(yīng)地是L1和L2信號(hào)的實(shí)振幅， P(t)是已知P碼， W(t)是未知W碼， ω1、ω2相應(yīng)地是在L1和L2處的偽多普勒頻率，ω2＝60/77ω1，


是由于電離層效應(yīng)而緩慢變化的在L1和L2處的初始相位，以及 ζ1、ζ2是零均值復(fù)高斯噪聲。
輸入信號(hào)乘以對(duì)應(yīng)的副本，并且在W比特間隔內(nèi)積分。復(fù)副本信號(hào)為

復(fù)L1副本 (2) 復(fù)L2副本 在(2)中，假設(shè)有關(guān)L1C/A碼和相位的跟蹤允許將該副本P碼與輸入信號(hào)的P碼對(duì)齊，以設(shè)置等于信號(hào)頻率的副本的頻率和設(shè)置等于信號(hào)相位

的副本的L1相位。后一條件無法為L2實(shí)現(xiàn)，這是L2副本相位ψ不同于

的原因。復(fù)W比特積分器輸出可從(1)和(2)表示為 其中 ζ1、ζ2是零均值復(fù)高斯變量，

是要估計(jì)的未知相位差， Tw是W比特間隔的持續(xù)時(shí)間，以及 Wi＝±1是在積分間隔內(nèi)的未知W比特值。
表示為 xi＝ReX1i(4) yi＝ReX2i zi＝ImX2b 以θ、a2和wi為條件的聯(lián)合概率密度函數(shù)為 假設(shè)W碼是靜態(tài)逐比特獨(dú)立，并且+1和-1的概率為0.5，每個(gè)產(chǎn)生以下無條件(按w1)概率密度函數(shù) 從(6)中，用于第i個(gè)W比特間隔的似然函數(shù)的算法如下 并且對(duì)于包括m個(gè)W比特間隔的整個(gè)估計(jì)周期
在不使用已知技術(shù)的操作中，近似法使用Ln cosh()函數(shù)的分段線性近似。轉(zhuǎn)到圖2，示出有Ln cosh()函數(shù)及其近似，表示如下 從(8)、(9)得出
其中 xi＝xi，yi＝y(tǒng)i，zi＝zi， xi＝0，yi＝0，zi＝0， xi＝-xi，yi＝-yi，zi＝-zi， 并且m1是具有非零Xi的項(xiàng)的數(shù)量。
θ的最大似然估計(jì)從(10)得出

在穩(wěn)態(tài)跟蹤模式中，θ的值接近零，因此，(11)變?yōu)? xi＝xi，yi＝y(tǒng)i，zi＝zi， ifaixi+a2yi＞0.69σ2(13) xi＝0，yi＝0，zi＝0， if|aixi+a2yi|≤0.69σ2 xi＝-xi，yi＝-yi，zi＝-zi，ifaixi+a2yi＜0.69σ2 另一方面，在初始化模式中，θ的值完全未知，因此，L2數(shù)據(jù)未包括到等式(11)時(shí)實(shí)現(xiàn)了更佳的效果，即 xi＝xi，yi＝y(tǒng)i，zi＝zi， ifaixi＞0.69σ2 (14) xi＝0，yi＝0，zi＝0， if|aixi|≤0.69σ2 xi＝-xi，yi＝-yi，zi＝-zi，ifaixi＜0.69σ2 可表征為“估計(jì)器”的表達(dá)式(12)的一個(gè)優(yōu)勢在于它是直接估計(jì)器，不需要梯度或閉環(huán)方法(gradient or closed loop system)以便實(shí)現(xiàn)。
估計(jì)器(12)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它在(12)的分子和分母的和累積期間不包括任何乘法運(yùn)算。
參照?qǐng)D1，它示例了可在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的接收器中包括的系統(tǒng)的實(shí)施例。在系統(tǒng)中，從天線接收的信號(hào)最初經(jīng)諸如RF電纜1等傳輸線路應(yīng)用到射頻(RF)前端區(qū)塊10。前端區(qū)塊10可將所接收信號(hào)中的L1和L2信號(hào)放大、下變頻、過濾和數(shù)字化。RF前端區(qū)塊10例如可布置為使得在線路18和20上其輸出信號(hào)是屬于視頻(VF)以便減輕進(jìn)一步的數(shù)字處理。在線路18和20處的信號(hào)的實(shí)際頻率可以是偽多普勒頻率。RF前端區(qū)塊輸出信號(hào)S1和S2可以是復(fù)數(shù)以防止丟失重要數(shù)據(jù)，因此，線路18和20中的每一條可包括用于實(shí)和虛信號(hào)分量的兩條子線路。
數(shù)字信號(hào)處理可在諸如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)40等可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)，該邏輯通過線路18和20接收復(fù)L1和L2信號(hào)，執(zhí)行多信道相關(guān)處理，并將相關(guān)數(shù)據(jù)提供到中央處理單元(CPU)50。CPU 50可在將地址總線46設(shè)為信道和感興趣的項(xiàng)的地址，以及將在線路48處的讀控制信號(hào)設(shè)為使能狀態(tài)前，通過使用數(shù)據(jù)總線45讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。
CPU 50可執(zhí)行從FPGA 40讀取的數(shù)據(jù)的后相關(guān)處理。正如下面將更詳細(xì)解釋的一樣，處理可包括鎖相環(huán)(PLL)和延遲鎖定環(huán)路(DLL)操作及生成到FPGA相關(guān)信道的控制數(shù)據(jù)，如碼延遲、偽多普勒相位和頻率。為了發(fā)送控制數(shù)據(jù)，CPU 50可將數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)總線45，將地址總線46設(shè)為信道和感興趣的項(xiàng)的地址并將線路47的寫控制信號(hào)設(shè)為使能狀態(tài)。CPU 50可經(jīng)通信線路61與外部主機(jī)系統(tǒng)通信，發(fā)送測量的位置、速度和定時(shí)數(shù)據(jù)到主機(jī)，并且從主機(jī)接收各種控制數(shù)據(jù)以使接收器的參數(shù)適應(yīng)用戶的請(qǐng)求。
可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)60可包含用于CPU 50的可執(zhí)行代碼。在接收器上電時(shí)，CPU 50可從PROM 60取回(fetch)自引導(dǎo)指令，并執(zhí)行它們以便通過數(shù)據(jù)總線45和地址總線46將可執(zhí)行代碼加載入CPU的內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)。在加載后，CPU 60可開始從其內(nèi)部RAM執(zhí)行指令。
接收器上電后的操作可包括將配置文件加載到FPGA 40。FPGA配置文件可定義每個(gè)FPGA可配置邏輯區(qū)塊(CLB)的功能及它們之間的互連，以便獲得整個(gè)FPGA電路圖的所期望的處理功能。FPGA的配置文件可與CPU的可執(zhí)行代碼一起存儲(chǔ)在PROM 60中。CPU 50可通過使用數(shù)據(jù)總線45和地址總線46從PROM 60讀取FPGA的配置文件，并通過相同的總線45和46將它寫入FPGA 40。補(bǔ)充信號(hào)可通過線路49應(yīng)用到FPGA 40以控制配置文件的加載過程。
PROM 60可能夠存儲(chǔ)適用于接收器不同操作條件的幾個(gè)配置文件。CPU 50可根據(jù)也可存儲(chǔ)在PROM 60中的用戶的喜好，選擇其中之一以便在接收器上電時(shí)加載。另外，在接收器的正常操作期間，用戶可經(jīng)通信線路61發(fā)布命令以切換到不同的FPGA配置。在此類事件中，CPU 50可以如上為加電模式所述的相同的方式，從PROM 60讀取所期望的的配置文件，并將它加載到FPGA 40。這樣，高度和快速的適應(yīng)性得以實(shí)現(xiàn)。
在新L2c信號(hào)變得可用，并且電路圖設(shè)計(jì)為其處理準(zhǔn)備就緒時(shí)，對(duì)應(yīng)的配置文件可經(jīng)通信線路61從主機(jī)系統(tǒng)加載到CPU 50，CPU 50將把它寫入PROM 60。在此之后，CPU可以如上所述相同的方式，在每次接收器上電時(shí)加載新的配置文件。在實(shí)施例中，可編程邏輯(例如，F(xiàn)PGA)中的相關(guān)信道中的一部分可配置為處理L2c信號(hào)，而另一部分可配置為處理舊L2信號(hào)。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的接收器體系結(jié)構(gòu)為新L2c信號(hào)作好準(zhǔn)備，并且在具有L2c能力的更多GPS衛(wèi)星被發(fā)射進(jìn)入軌道時(shí)，將進(jìn)一步易于通過L2c能力不時(shí)進(jìn)行更新。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3，它更詳細(xì)地示出了RF前端區(qū)塊10。天線所接收的信號(hào)可通過可以是高頻傳輸線路的電纜1應(yīng)用到低噪聲放大器11，其輸出被應(yīng)用到L1和L2信道的輸入。L1信道可包括第一級(jí)12和第二級(jí)13，而L2信道可包括第一級(jí)14和第二級(jí)15。在第一L1級(jí)12中，信號(hào)可被過濾、放大和下變頻為中間頻率IF1信號(hào)25。類似地，在第一L2級(jí)14中，信號(hào)可被過濾、放大和下變頻為中間頻率IF2信號(hào)26。IF1信號(hào)25可在第二級(jí)區(qū)塊13中被進(jìn)一步過濾、放大和下變頻為視頻同相和正交相位分量并被數(shù)字化。區(qū)塊13的輸出18可包括兩條線路第一線路用于數(shù)字同相L1信號(hào)，而第二線路用于數(shù)字正交相位L1信號(hào)。類似地，IF2信號(hào)26可在第二級(jí)區(qū)塊15中被進(jìn)一步過濾、放大和下變頻為視頻同相和正交相位分量并被數(shù)字化，從而具有輸出20，它可包括兩條線路第一線路用于數(shù)字同相L2信號(hào)，而第二線路用于數(shù)字正交相位L2信號(hào)。區(qū)塊12-15的電路包括以常規(guī)方式操作以執(zhí)行上述信號(hào)轉(zhuǎn)換的放大器、混合器、濾波器及模數(shù)變換器。在示范實(shí)施例中，輸出18的兩條線路中的每一條是一比特線路，并且輸出20的兩條線路中的每一條也是一比特線路，因此，第二級(jí)18和20的模數(shù)變換器可以是具有零閾值的簡單比較器。
溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TXCO)17在線路24上供應(yīng)參考頻率，該參考頻率在定時(shí)電路16中用于生成線路21、22和23上的本地振蕩器信號(hào)及線路19上的時(shí)鐘信號(hào)。為此，定時(shí)電路16包括常規(guī)頻率合成器。輸出信號(hào)19用于為接收器的所有其它區(qū)塊計(jì)時(shí)。
轉(zhuǎn)到圖4，它示出了FPGA 40電路圖。復(fù)輸入信號(hào)S1和S2可供應(yīng)到多個(gè)相同基帶處理信道41-43，每個(gè)基帶處理信道可與所接收的信號(hào)來源的單獨(dú)衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)。提供的基帶信道數(shù)量可足以確?；鶐诺揽捎糜诿總€(gè)所接收的衛(wèi)星信號(hào)。在示范實(shí)施例中，來自四個(gè)或更多個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)被用于確定所期望的參數(shù)(例如，位置、速度和時(shí)間)。通過使用對(duì)給定衛(wèi)星唯一的C/A和P碼的本地生成副本將S1和S2信號(hào)去相關(guān)，基帶信道41-43中的每一個(gè)可能夠識(shí)別在對(duì)應(yīng)于特定衛(wèi)星的線路18、20上來自RF前端區(qū)塊10的數(shù)字化輸出。
如圖4所示，每個(gè)基帶信道41-43可經(jīng)接口電路44將從數(shù)字S1和S2信號(hào)得到的Y1和Y2數(shù)據(jù)傳遞到CPU 50，該接口電路44可通過設(shè)置在地址總線46上的對(duì)應(yīng)地址，根據(jù)如CPU 50定義的所期望的信道及其數(shù)據(jù)項(xiàng)Y1或Y2，將線路501-506之一連接到數(shù)據(jù)總線45。接口電路44也可用于將控制數(shù)據(jù)從CPU 50轉(zhuǎn)播(relay)到基帶信道41-43。CPU 50可控制衛(wèi)星ID編號(hào)、C/A碼相位、P碼相位、偽多普勒頻率f1和f2及初始偽多普勒相位phi01、phi02以便匹配生成的L1和L2副本與所接收的衛(wèi)星信號(hào)。為此，CPU 50可根據(jù)目的地信道及控制項(xiàng)設(shè)置地址總線46，并將控制數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線45。通過控制線路47、48，CPU可在其接收信道數(shù)據(jù)Y1或Y2時(shí)指示讀模式(RD)，或者可在其將控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到信道時(shí)指示寫模式(WR)。
如圖4所示，復(fù)信號(hào)S1可在混合器413中與P碼生成器420生成的P碼副本混合，由此提供解調(diào)的輸出432。P碼生成器420的結(jié)構(gòu)和組織可符合例如由Arinc Research Corporation(1993)所著“接口控制文檔ICD-GPS-200C”(Interface Control Document ICD-GPS-200C)圖3.3...3.7。類似地，復(fù)信號(hào)S2可在混合器414中與相同但由可控制延遲線路415延遲的P碼副本混合，由此提供解調(diào)的輸出433。如果當(dāng)前P碼或延遲P碼值為1，則混合器413、414可對(duì)應(yīng)地將S1或S2的同相和正交相位分量的符號(hào)均反轉(zhuǎn)，否則可讓它們通過而不做更改。
部分解調(diào)的信號(hào)432和433中的每一個(gè)隨后可應(yīng)用到補(bǔ)償偽多普勒相位的相應(yīng)相移器418和419。為此，L1相位生成器421可根據(jù)初始相位phi01和頻率f1在線路435中生成相位值phil，并且L2相位生成器424根據(jù)初始相位phi02和頻率f2在線路436中生成相位值phi2。經(jīng)接口電路44，CPU 50可在當(dāng)前累積周期T2開始之前設(shè)置phi01、phi02、f1、f2的值。相移器418和419可實(shí)際上按在線路435上的角度phil和在線路436上的角度phi2對(duì)應(yīng)地將復(fù)S1和S2信號(hào)表示的向量旋轉(zhuǎn)。
在線路438上解調(diào)的且多普勒補(bǔ)償?shù)腖1信號(hào)的同相分量可應(yīng)用到在對(duì)應(yīng)于W比特持續(xù)時(shí)間的時(shí)間段上將信號(hào)進(jìn)行積分的累積器422。同時(shí)，在線路439上解調(diào)的且多普勒補(bǔ)償?shù)腖2信號(hào)的同相和正交相位分量可應(yīng)用到在對(duì)應(yīng)于相同W比特持續(xù)時(shí)間的時(shí)間段上將信號(hào)進(jìn)行積分的累積器423。累積的L1同相分量可在由440表示的電路或線路中鎖存，而同相和正交相位L2分量可在由441表示的電路或線路中鎖存。
累積的同相L2分量隨后可從電路441分開到電路442，并通過可控制的開關(guān)426應(yīng)用到加權(quán)求和器425。同時(shí)，在線路440中累積的同相L1分量可應(yīng)用到加權(quán)求和器425的另一輸入。CPU 50可通過由接口電路44路由到開關(guān)426的命令，在當(dāng)前累積周期T2開始前閉合或打開開關(guān)426。在由443表示的電路或線路中加權(quán)求和器的輸出信號(hào)可應(yīng)用到閾值電路429，該電路將信號(hào)443的符號(hào)提取到線路444中，并將在電路或線路443中信號(hào)的幅度與閾值進(jìn)行比較。經(jīng)接口電路44，CPU 50可在當(dāng)前累積周期T2開始之前設(shè)置閾值。如果信號(hào)幅度超過閾值，則電路429可將其輸出445設(shè)為1，否則可將它設(shè)為0。這樣，在閉合開關(guān)426時(shí)，可檢查等式(13)中所指示的條件，并且在打開開關(guān)426時(shí)，可檢查等式(14)中所指示的條件。
在由441表示的電路或線路中累積的復(fù)L2信號(hào)也可在混合器427中與線路444輸送的符號(hào)混合?；旌掀?27可在當(dāng)前符號(hào)值為1時(shí)僅將電路441中復(fù)信號(hào)的同相和正交相位分量兩者的符號(hào)反轉(zhuǎn)，否則讓它們通過而不做更改。電路446中的混合器輸出可應(yīng)用到在時(shí)間段(T2)上將信號(hào)446進(jìn)行積分的累積器430。隨后，線路445中的信號(hào)可用作時(shí)鐘使能(CE)信號(hào)，使得僅在線路445中的CE信號(hào)為1時(shí)累積器430將線路446中的其輸入加上以前累積的值。這樣，根據(jù)等式(12)，所期望的復(fù)L2信號(hào)Y2可在線路502中形成。
也如圖4所示，復(fù)信號(hào)S1可在混合器412中與C/A碼生成器411生成的C/A碼副本混合，由此在電路431中提供解調(diào)的輸出。C/A碼生成器411的結(jié)構(gòu)和組織可符合“接口控制文檔ICD-GPS-200C”。混合器412可在當(dāng)前C/A碼值為1時(shí)僅將S1的同相和正交相位分量兩者的符號(hào)反轉(zhuǎn)，否則讓它們通過而不做更改。
C/A解調(diào)的信號(hào)431隨后可應(yīng)用到補(bǔ)償偽多普勒相位的相移器417。對(duì)于此操作，根據(jù)初始相位phi01和頻率f1由L1相位生成器421在線路435中生成的相位值phil可在相移器416中移動(dòng)π/2。經(jīng)接口電路44，CPU 50可在當(dāng)前累積周期T1開始之前設(shè)置phi01和f1的值。相移器417可實(shí)際上按在線路上434的角度phil＝π/2將復(fù)S1信號(hào)表示的向量旋轉(zhuǎn)。電路437中的相移器輸出可應(yīng)用到在時(shí)間段(T1)上將復(fù)信號(hào)437進(jìn)行積分的累積器428。這樣，所期望的復(fù)L1信號(hào)Y1可在線路501中形成。
圖5示出可如何布置相移器417-419以便按在由480表示的電路或線路中的角度phi將其輸入向量旋轉(zhuǎn)，該向量由在481表示的電路或線路中的同相分量Iin和電路482中的正交相位分量Qin表示。電路480-482可合并成作為地址總線應(yīng)用到只讀存儲(chǔ)器(ROM)484的一個(gè)組合電路483。ROM 484可響應(yīng)地址A而存儲(chǔ)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線485中的已移動(dòng)的復(fù)信號(hào)的預(yù)定值。ROM 484的內(nèi)容可以這樣一種方式預(yù)先計(jì)算得出，即數(shù)據(jù)總線485的一部分在電路486中輸送相移信號(hào)的同相分量Iout，而另一部分在電路487中輸送其正交相位分量Qout。這樣，可為輸入信號(hào)(Iin，Qin)和phi中的每一個(gè)和每個(gè)組合生成所期望的復(fù)輸出(Iout，Qout)。
為了簡化加權(quán)和區(qū)塊425，等式(13)、(14)可對(duì)應(yīng)地按以下等式取近似值 xi＝xi，yi＝y(tǒng)i，zi＝zi， xi＝0，yi＝0，zi＝0， xi＝-xi，yi＝-yi，zi＝-zi， 以及 xi＝xi，yi＝y(tǒng)i，zi ＝zi， xi＝0，yi＝0，zi＝0， xi＝-xi，yi＝-yi，zi＝-zi， 等式(15)、(16)是基于根據(jù)“接口控制文檔ICD-GPS-200C”的振幅比率a2/a1＝1/sqrt(2)≈0.707，并且振幅比率a2/a1取近似值為3/4，準(zhǔn)確性大約6％。圖6示出加權(quán)和區(qū)塊425的實(shí)施例。電路440中的輸入多比特x值425.11可向左移動(dòng)2比特，如圖6(b)所示將釋放的LSB比特取零。這樣，四倍的4x值425.12可輸送到電路425.7。類似地，電路442中的輸入多比特y值425.21可向左移動(dòng)1比特，也如圖6(b)所示將釋放的LSB比特和空MSB比特取零。這樣，雙倍的2x值425.22可輸送到電路425.6。隨后，y和2y值可在求和器425.3中相加，在電路425.8中產(chǎn)生3y信號(hào)，該信號(hào)可進(jìn)一步加上另一求和器425.4中的4x值，從而在電路或線路443中產(chǎn)生所期望的4x+3y信號(hào)。這樣，可獲得所期望的的加權(quán)和而無復(fù)雜的乘法運(yùn)算。
參照?qǐng)D7，它示出了用于將載波和碼生成器調(diào)整和鎖定為具有被處理的衛(wèi)星信號(hào)的載波和碼的相位的優(yōu)選技術(shù)。在第一步驟511中，CPU 50可在每個(gè)處理信道41-43中調(diào)整C/A生成器411中的C/A碼相位和相位生成器421中的副本的頻率，以使501-505表示的電路或線路中的向量Y1的幅度達(dá)到最大。由于所有處理信道可以具有相同結(jié)構(gòu)，因此，將只為一個(gè)信道41提供圖7的進(jìn)一步描述。
在Y1幅度達(dá)到最大值時(shí)，在C/A生成器411輸出處的額定C/A碼與在處理的L1信號(hào)同相，并且CPU 50將L1信號(hào)振幅計(jì)算為a1＝[Y1]。隨后，在步驟512中，CPU 50可根據(jù)等式(15)、(16)將電路429中的閾值設(shè)為0.69σ2/a1。
下一步驟513是CPU 50調(diào)整在電路435中的初始相位phil，并對(duì)應(yīng)地調(diào)整電路434中的相位以使電路或線路501中Y1的正交相位分量的絕對(duì)值降到最小。發(fā)生這種情況時(shí)，電路434中的額定L1相位隨后被認(rèn)為是與在處理的L1信號(hào)的相位同相。這為L1C/A載波提供了清晰的參考，并因此也為從其移動(dòng)90度的L1P碼載波提供了清晰的參考。隨后，phil的時(shí)間差產(chǎn)生了在其它步驟中使用的偽多普勒頻率f1的準(zhǔn)確估計(jì)。
在步驟514中，CPU 50可通過在L2相位生成器424中設(shè)置參考頻率f2＝60/77f1，調(diào)整P碼生成器420中的P碼相位，以及調(diào)整可控制延遲線路415中的L2延遲以使電路502中的Y2幅度達(dá)到最大，而開始估計(jì)L2信號(hào)參數(shù)。發(fā)生這種情況時(shí)，P碼生成器420的輸出處的P碼相位被認(rèn)為是與在處理的L1信號(hào)的相位同相，并且延遲線路415的輸出處的P碼相位被認(rèn)為是與在處理的L2信號(hào)的相位同相。此刻，向量Y2的相位包含有關(guān)L2偽多普勒相位的信息。
在步驟515中，CPU 50可根據(jù)(12)計(jì)算L2偽多普勒相位，并對(duì)應(yīng)地調(diào)整相位生成器424中的初始相位phi02。這在電路436中提供了確保補(bǔ)償移動(dòng)器419中信號(hào)L2偽多普勒相位的phi2值。此補(bǔ)償又確保(11)中的角度θ接近零，因此，在生成Y2值的過程中適宜使用(15)而不是(16)。因此，CPU 50可閉合開關(guān)426以將電路442中的L2信號(hào)的同相分量應(yīng)用到加權(quán)求和器425的輸入。
在步驟516中，CPU 50調(diào)整相位生成器424中的初始相位phi02以使電路502中Y2的正交相位分量的絕對(duì)值降到最小。phi02值實(shí)際上是所期望的的L2偽多普勒相位。
注意，本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用新L3-L5信號(hào)。另外，實(shí)施例可在GPS、GNSS或任何其它類似或兼容的系統(tǒng)中使用。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可只為新信號(hào)創(chuàng)建配置文件。配置文件可發(fā)送到終端用戶。用戶可將配置文件傳遞到接收器的CPU，而CPU又可相應(yīng)地更新PROM內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的接收器體系結(jié)構(gòu)可在接收器的PROM中有幾個(gè)配置文件，或者可交互和動(dòng)態(tài)地重新加載到可編程邏輯(例如，F(xiàn)PGA)中以便適應(yīng)接收器操作期間的不同情況的這些文件可根據(jù)需要生成或修改。
將理解，各種以上公開內(nèi)容和其它特性與功能或其備選可如所希望的一樣組合到許多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用中。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員隨后可實(shí)現(xiàn)各種當(dāng)前未預(yù)測或未預(yù)見的備選、修改、變化或改進(jìn)，所有這些也將由隨附權(quán)利要求涵蓋在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種從在全球定位系統(tǒng)中所接收的L1和L2信號(hào)得出L2信號(hào)的振幅和偽多普勒相位的方法，所述L1和L2信號(hào)中的每一個(gè)包括由已知P碼和未知W碼調(diào)制的單獨(dú)載頻，所述方法包括以下步驟
放大和過濾從天線所接收的L1和L2信號(hào)，并將它們下變頻為復(fù)視頻L1和L2信號(hào)；
將所述復(fù)視頻L1和L2信號(hào)變換為數(shù)字形式；
通過本地生成的P碼副本將數(shù)字復(fù)視頻L1和L2信號(hào)解調(diào)以生成解調(diào)的復(fù)L1和L2信號(hào)；
使所述解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)的偽多普勒相位按本地生成的數(shù)字相位進(jìn)行移動(dòng)，以生成解調(diào)的多普勒補(bǔ)償L1信號(hào)，所述數(shù)字相位根據(jù)第一頻率值從第一初始相位值線性變化；
使所述解調(diào)的復(fù)L2信號(hào)的所述偽多普勒相位按本地生成的數(shù)字相位進(jìn)行移動(dòng)，以生成解調(diào)的多普勒補(bǔ)償L2信號(hào)，所述數(shù)字相位根據(jù)第二頻率值從第二初始相位值線性變化；
在第一預(yù)定時(shí)間段上將所述解調(diào)的多普勒補(bǔ)償L1和L2信號(hào)進(jìn)行積分以生成預(yù)積分L1和L2信號(hào)；
通過第一加權(quán)因子將所述預(yù)積分L1信號(hào)的同相分量進(jìn)行加權(quán)以生成加權(quán)的同相L1信號(hào)；
通過第二加權(quán)因子將所述預(yù)積分L2信號(hào)的同相分量進(jìn)行加權(quán)以生成加權(quán)的同相L2信號(hào)；
將所述加權(quán)的同相L1信號(hào)加上所述加權(quán)的同相L2信號(hào)以生成總加權(quán)的同相信號(hào)；
將所述總加權(quán)的同相信號(hào)的幅度和預(yù)定閾值進(jìn)行比較以生成過沖指示符；
根據(jù)所述總加權(quán)的同相信號(hào)的符號(hào)將所述預(yù)積分L2信號(hào)反轉(zhuǎn)以生成解密的L2信號(hào)；以及
以所述過沖指示符為條件，在第二預(yù)定的時(shí)間段上將所述解密的L2信號(hào)進(jìn)行積分以產(chǎn)生復(fù)積分L2信號(hào)，所述復(fù)積分L2信號(hào)的所述幅度與所述L2信號(hào)的所期望的輸出振幅成比例，并且被加上所述第二初始相位的相位等于所述L2信號(hào)的所期望的輸出偽多普勒相位。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制所述第二加權(quán)因子，使得它在所述L2信號(hào)的所述偽多普勒相位的先驗(yàn)估計(jì)不可用時(shí)的時(shí)間段期間設(shè)為零。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括
通過本地生成的C/A碼副本將所述數(shù)字復(fù)視頻L1信號(hào)解調(diào)以生成第二解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)；
使所述第一初始相位按90度進(jìn)行移動(dòng)以生成第三初始相位；
使所述第二解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)的偽多普勒相位按本地生成的數(shù)字相位進(jìn)行移動(dòng)，以生成第二解調(diào)的多普勒補(bǔ)償L1信號(hào)，所述數(shù)字相位根據(jù)所述第一頻率值從所述第三初始相位值線性變化；
在第三預(yù)定時(shí)間段上將所述第二解調(diào)的多普勒補(bǔ)償L1信號(hào)進(jìn)行積分以產(chǎn)生積分L1信號(hào)；
將所述積分L1信號(hào)提供到反饋環(huán)路濾波器以生成L1偽多普勒相位和偽多普勒頻率的估計(jì)；以及
根據(jù)L1偽多普勒相位和偽多普勒頻率的所述估計(jì)，調(diào)整所述第一初始相位。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括
從所述L2信號(hào)的所述輸出偽多普勒相位和所述第二初始相位之和減去L1偽多普勒相位的所述估計(jì)乘以因子60/77，以生成L1/L2相位差；
平滑處理所述L1/L2相位差以生成平滑處理的L1/L2相位差；以及
將所述第二初始相位調(diào)整為等于L1偽多普勒相位的所述估計(jì)乘以因子60/77和所述平滑處理的L1/L2相位差之和。
5.一種用于處理在全球定位系統(tǒng)中所接收的L1和L2信號(hào)的接收器，所述L1和L2信號(hào)中的每一個(gè)包括由已知P碼和未知W碼調(diào)制的單獨(dú)載頻，所述接收器包括
射頻前端區(qū)塊，包括用于放大所接收的L1和L2信號(hào)的部件、用于將所述L1信號(hào)變換成第一中間頻率的變頻部件、用于將所述L2信號(hào)變換成第二中間頻率的變頻部件、用于將所述第一中間頻率L1信號(hào)變換成具有同相與正交相位L1分量的視頻復(fù)L1信號(hào)的變頻部件、用于將所述第二中間頻率L2信號(hào)變換成具有同相與正交相位L2分量的視頻復(fù)L2信號(hào)的變頻部件、用于過濾所述第一和第二中間頻率和用于過濾所述復(fù)L1和L2信號(hào)的同相與正交相位分量的部件、振蕩器、響應(yīng)所述振蕩器用于生成全局時(shí)鐘信號(hào)及為所述變頻部件生成本地振蕩器信號(hào)的定時(shí)部件以及用于將所述同相與正交相位L1和L2分量變換成數(shù)字復(fù)L1和L2信號(hào)的部件；
可編程邏輯，連接到所述全局時(shí)鐘信號(hào)和所述數(shù)字復(fù)L1和L2信號(hào)，并配置為包括一組接收信道和接口電路；
可編程數(shù)字處理器，連接到所述可編程邏輯的所述接口電路，用于接收所述接收信道的L1和L2結(jié)果并生成數(shù)據(jù)以控制所述接收信道以及用于產(chǎn)生導(dǎo)航解決方案；
存儲(chǔ)器，連接到所述可編程數(shù)字處理器，用于存儲(chǔ)所述可編程邏輯的配置和所述處理器的可執(zhí)行代碼。
6.如權(quán)利要求5所述的接收器，其中可編程邏輯的每個(gè)所述接收信道包括
所述P碼的本地副本的生成器；
延遲部件，連接到所述P碼的本地副本的所述生成器，用于根據(jù)可控制延遲來將所述P碼的本地副本的所述生成器的所述輸出進(jìn)行延遲，所述延遲部件生成所述P碼的延遲副本；
第一反轉(zhuǎn)部件，用于響應(yīng)所述P碼的所述本地副本將所述輸入數(shù)字復(fù)L1信號(hào)的符號(hào)反轉(zhuǎn)以形成P解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)；
第二反轉(zhuǎn)部件，用于響應(yīng)所述P碼的所述延遲副本將所述輸入數(shù)字復(fù)L2信號(hào)的所述符號(hào)反轉(zhuǎn)以形成P解調(diào)的復(fù)L2信號(hào)；
第一相位生成部件，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的第一初始相位和預(yù)設(shè)的第一頻率生成在時(shí)間上線性變化的第一相位計(jì)數(shù)；
第二相位生成部件，用于根據(jù)預(yù)設(shè)的第二初始相位和預(yù)設(shè)的第二頻率生成在時(shí)間上線性變化的第二相位計(jì)數(shù)；
第一相移部件，連接到所述第一反轉(zhuǎn)部件的輸出和所述第一相位生成部件的輸出，用于響應(yīng)所述第一相位計(jì)數(shù)將所述P解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)的相位進(jìn)行移動(dòng)；
第二相移部件，連接到所述第二反轉(zhuǎn)部件的輸出和所述第二相位生成部件的輸出，用于響應(yīng)所述第二相位計(jì)數(shù)將所述P解調(diào)的復(fù)L2信號(hào)的相位進(jìn)行移動(dòng)；
第一積分部件，用于在大致等于未知W碼的周期的時(shí)間段上將所述第一相移部件的輸出進(jìn)行積分，所述第一積分部件的輸出包括積分L1信號(hào)；
第二積分部件，用于在大致等于未知W碼的周期的時(shí)間段上將所述第二相移部件的輸出進(jìn)行積分，所述第一積分部件的輸出包括積分L2信號(hào)；
加權(quán)求和部件，連接到所述第一和第二積分部件的相應(yīng)輸出的同相分量，用于生成由第一權(quán)重加權(quán)的所述第一積分部件的所述輸出的同相分量和由第二權(quán)重加權(quán)的所述第二積分部件的所述輸出的同相分量之和；
閾值部件，連接到所述加權(quán)求和部件的輸出，用于根據(jù)所述加權(quán)求和部件的所述輸出的符號(hào)生成符號(hào)指示符，以及根據(jù)預(yù)定閾值與所述加權(quán)求和部件的所述輸出之間的關(guān)系生成閾值指示符；
第三反轉(zhuǎn)部件，連接到所述第二積分部件的所述輸出，用于響應(yīng)所述符號(hào)指示符將所述積分L2信號(hào)的所述符號(hào)反轉(zhuǎn)；以及
第三積分部件，用于基于所述閾值指示符，在第一預(yù)定時(shí)間段上有條件地將所述第三反轉(zhuǎn)部件的輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生適合進(jìn)一步處理的復(fù)積分輸出L2信號(hào)，用于控制所述第二相位生成部件中的所述第二初始相位和第二頻率，以及用于在所述可編程數(shù)字處理器中產(chǎn)生導(dǎo)航解決方案。
7.如權(quán)利要求6所述的接收器，其中每個(gè)所述接收信道還包括用于禁止添加所述第二積分部件的所述輸出的所述同相分量的部件，使得所述加權(quán)求和部件的所述輸出等于通過第一權(quán)重加權(quán)的所述第一積分部件的所述輸出。
8.如權(quán)利要求7所述的接收器，其中每個(gè)所述接收信道還包括
C/A碼的本地副本的生成器；
第四反轉(zhuǎn)部件，用于響應(yīng)所述C/A碼的所述本地副本將所述數(shù)字復(fù)L1信號(hào)的所述符號(hào)反轉(zhuǎn)以形成CA解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)；
第三相移部件，連接到所述第四反轉(zhuǎn)部件的輸出和所述第一相位生成部件的輸出，用于響應(yīng)所述第一相位計(jì)數(shù)將所述CA解調(diào)的復(fù)L1信號(hào)的所述相位進(jìn)行移動(dòng)；
第四積分部件，用于在第二預(yù)定時(shí)間段上將所述第四反轉(zhuǎn)部件的輸出進(jìn)行積分以產(chǎn)生適合進(jìn)一步處理的復(fù)積分輸出L1信號(hào)，用于控制所述第一相位生成部件中的所述第一初始相位和第一頻率，以及用于在所述可編程數(shù)字處理器中產(chǎn)生導(dǎo)航解決方案。
9.如權(quán)利要求8所述的接收器，其中每個(gè)所述相移部件包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包含所述相位計(jì)數(shù)的可能值和所述解調(diào)的復(fù)信號(hào)的同相與正交相位分量的可能值的可能組合的相移復(fù)值。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中解調(diào)步驟與變換步驟并發(fā)執(zhí)行。
11.一種接收器，包括
處理器；
可編程邏輯模塊；以及
配置文件，在所述處理器控制下為所述可編程邏輯模塊配置GPS、GNSS或其它系統(tǒng)的至少一個(gè)選定信號(hào)的處理能力。
12.如權(quán)利要求11所述的接收器，其中所述信號(hào)在任何頻帶上廣播。
13.如權(quán)利要求11所述的接收器，其中所述信號(hào)是任何廣播信號(hào)。
14.如權(quán)利要求11所述的接收器，其中所述配置可由所述處理器動(dòng)態(tài)重新配置。
15.如權(quán)利要求11所述的接收器，還包括存儲(chǔ)所述配置文件的存儲(chǔ)器。
全文摘要
一種全球定位系統(tǒng)(GPS)商用接收器包括利用P碼調(diào)制的L1和L2 GPS信號(hào)得出L1和L2信號(hào)的同相與正交相位分量的估計(jì)的可編程邏輯和計(jì)算偽距和偽多普勒相位并得出導(dǎo)航解決方案的可編程處理器。在處理由未知W碼加密的所接收的L1和L2信號(hào)中，所接收的復(fù)L1信號(hào)乘以P碼的本地生成副本，并且在具有大約與W碼的比特持續(xù)時(shí)間相同的持續(xù)時(shí)間的時(shí)間段上積分。所接收的復(fù)L2信號(hào)乘以P碼的副本，積分，并被鎖存以計(jì)及L2信號(hào)相對(duì)于L1的延遲。積分信號(hào)的同相分量與L1和L2信號(hào)振幅成比例加權(quán)，并且加權(quán)和與零進(jìn)行比較，并且其幅度與預(yù)定的閾值進(jìn)行比較。同時(shí)，根據(jù)加權(quán)和的符號(hào)，并且如果加權(quán)和的幅度超過預(yù)定的閾值，積分復(fù)L2信號(hào)加上以前累積的復(fù)L2信號(hào)，或從以前累積的復(fù)L2信號(hào)中減除積分復(fù)L2信號(hào)。結(jié)果復(fù)累積L2信號(hào)包括所期望的L2振幅和偽多普勒相位的近ML估計(jì)。
文檔編號(hào)G01S19/32GK101606079SQ200780046314
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2007年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者A·弗里德曼 申請(qǐng)人:數(shù)據(jù)柵格公司