專利名稱：衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)的信號接收機的數(shù)字相關(guān)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線電導航，特別是涉及一種用于接收衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)(SRNS)GPS(USA)和GLONASS(俄羅斯)的偽噪聲信號的接收機的數(shù)字相關(guān)器，在L1頻率范圍執(zhí)行對這些系統(tǒng)的C/A碼信號的同時接收。
技術(shù)狀況SRNS GLONASS(參看"Global Navigation Satellite System-GLONASS.Interface Control Document.KNITS VKS Russia"，1995)[1]和GPS(參看"Global Position System.Standard Positioning Service.Signal Specification."USA,1993)[2]的偽噪聲(類噪聲)信號的接收機目前被廣泛地用于建立坐標(緯度、經(jīng)度、高度)，物體速度，和時間。SRNS GPS與GLONASS之間的基本差別在于使用了在L1波段上雖然鄰近但不相同的頻率，使用了不同的偽噪聲調(diào)制碼，以及使用了系統(tǒng)中不同的衛(wèi)星信號的碼分和頻分。這樣，在L1波段的工作期間，SRNS GPS衛(wèi)星在一個載頻1575.42MHZ上發(fā)射用不同偽噪聲碼調(diào)制的信號，而SRNS GLONASS衛(wèi)星在位于鄰近頻率區(qū)的不同載波(letter字母)上發(fā)射用相同偽噪聲調(diào)制的信號。由SRNS GPS碼分和SRNSGLONASS頻分所規(guī)定的SRNS GPS與GLONASS信號之間存在的差別導致了為這些SRNS信號的接收和相關(guān)處理使用不同硬件，以允許人們進行無線電導航測量。
典型的SRNS接收機工作于復雜類噪聲信號(NLS)，這些信號包括由SRNS衛(wèi)星輻射的多個無線電信號，噪聲分量，以及由于從各種表面區(qū)、建筑物等重復反射信號所造成的干擾生成的分量。
已知的技術(shù)是偽噪聲信號的SRNS GPS接收機(參看"Global PositioningSystem(GPS)Receiver RF Front End.Analog-Digital Converter"中的圖'1，Rockwell InternationalProprietary Information Order Number.，1995年5月31日)，它包括一個含有低噪聲放大器的射頻變換器，一個濾波器，一個第一混頻器，一個第一中頻放大器，一個正交混頻器，兩個用于同相和正交信道的量化器，一個產(chǎn)生第一外差頻率(1401.51MHz)的信號整形器，一個從第一外差頻率的信號中產(chǎn)生第二外差頻率信號的分頻器，和一個相關(guān)處理單元。該裝置解決了為后續(xù)的無線電導航測量目的而進行的SRNS GPS信號的接收和相關(guān)處理的技術(shù)問題，然而它不能解決SRNS GLONASS信號的接收和相關(guān)處理的技術(shù)問題。
另一種已知的技術(shù)(參看，F(xiàn)ig.9.2 on pages 146-148 in the book"NetworkSatellite Systems",by V.S.Shebshaevich,P.P.Dmitriev,N.V.Ivantsevich,et all.Moscow,"Radio is Syaz",1993)[4]是SRNS GLONASS偽噪聲信號的接收機(用于GLONASS系統(tǒng)的《單信道用戶設(shè)備-37》)。該接收機包括一個天線，一個低噪聲放大器/變換器，一個射頻變換器，一個數(shù)字處理裝置，和一個導航處理器。低噪聲放大器/變換器包含帶通濾波器，一個放大器和一個混頻器。射頻變換器包括一個放大器，一個相位解調(diào)器，一個第二混頻器，一個對基準產(chǎn)生器的信號操作的以字母標記的(lettered)頻率合成器。該裝置包含一個帶有偽隨機序列產(chǎn)生器(PSG)數(shù)字時鐘信號產(chǎn)生器的偽隨機序列產(chǎn)生器(PSG)，一個數(shù)字多普勒載波漂移產(chǎn)生器，和一個帶有用于存儲數(shù)字樣值的存儲單元的相位碼變換器。字母標記(Lettered)合成器根據(jù)接收的SRNS GLONASS信號的字母標記(lettered)頻率生成輸出信號。頻率合成器生成的字母標記(lettered)頻率間隔等于0.125MHz。通過將頻率合成器輸出信號乘以四，產(chǎn)生第一外差頻率信號，而第二外差頻率信號則通過將頻率合成器輸出的頻率進行二分頻來產(chǎn)生。該接收機解決了用于提供后續(xù)無線電導航測量和定位的SRNS GLONASS信號接收和相關(guān)處理的技術(shù)問題，然而它不能解決SRNS GPS信號的接收和相關(guān)處理的技術(shù)問題。
盡管SRNS GPS與GLONASS之間存在差異，但它們在指定(designation)、衛(wèi)星軌道組的彈道建立以及使用頻率范圍方面的相似性允許人們確定和解泱與創(chuàng)建能夠處理這兩個系統(tǒng)的信號的接收機相關(guān)聯(lián)的問題。所達到的效果包括確定物體位置的可靠性、真實性和精確性，這特別要歸因于用最佳幾何參數(shù)選擇衛(wèi)星工作星座的可能性[4，160頁]。
已知的執(zhí)行SRNS GPS和GLONASS信號接收和相關(guān)處理的裝置之一是工作于L1頻率范圍的SRNS GPS和GLONASS信號接收機，在([4]，158-161頁，圖9.8)中公開。該接收機包括一個天線，一個射頻變換器，一個基準生成器和一個用于初步處理的處理器。射頻變換器包括一個執(zhí)行SRNSGPS和GLONASS信號分頻的雙工器，GPS和GLONASS信道的帶通濾波器和放大器；一個混頻器；一個將SRNS GPS或GLONASS信號加給混頻器的信號輸入端的開關(guān)；一個將第一外差信號加給用于GPS信道或GLONASS信道的基準輸入混頻器的開關(guān)。由于外差信號的各自頻率整形原因，用對于SRNS GPS和GLONASS信號，第一中頻是固定不變的，對于兩個系統(tǒng)，信號處理的所有后續(xù)操作也是共同的。用于初級信號處理的處理器包括一個具有ROM單元的多路復用器；一個字母標記頻率的數(shù)字生成器；一個數(shù)字相關(guān)器；一個PSG生成器和一個微處理器。該裝置的缺點是每個SRNS的接收、變換和相關(guān)信號處理必須逐一執(zhí)行。
另一種已知的技術(shù)是L1頻率范圍內(nèi)的SRNS GPS和GLONASS信號接收機(參看Riley S.,Howard N.,Aardoom E,.Daly P.,"A CombinedGPS/GLONASS High Precision Receiver for Space Applications",Palm Springs,CA,US,Sept.12-15,1995,pp.835-844)[5]，它解決了兩類SRNS信號的同時接收和這些信號的并行相關(guān)處理的問題。參考文件[5]所公開的SRNS信號接收機包括一個天線；一個具有數(shù)字化器的射頻變換器和N個串聯(lián)的數(shù)字相關(guān)器。參考文件[5]所公開的接收機執(zhí)行SRNS接收機的標準信號的接收、搜索(檢測)和跟蹤的處理。這些處理包括以下內(nèi)容。為了所接收的SRNS信號檢測、跟蹤和參數(shù)的確定，這些信號被放大、變換成中頻信號并在接收機的射頻單元中被數(shù)字化，最后在處理各SRNS衛(wèi)星信號的N個相關(guān)器中使用數(shù)字相關(guān)技術(shù)來解調(diào)該信號。SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器所執(zhí)行的典型處理是通過將其收到的NLS信號的數(shù)字讀出值乘以在相關(guān)器內(nèi)生成的搜索列的信號的本地拷貝(copy)來相關(guān)所接收的NLS信號，和在確定的時間間隔期間存儲相關(guān)結(jié)果。通常，該時間間隔定為1毫秒，它等于SRNS GPS和GLONASS碼的偽隨機碼序列(PSG)C/A的長度。跟蹤所處理的衛(wèi)星SRNS信號的頻率(相位)和PSG碼延遲的環(huán)路的閉合借助于一個處理器完成。該處理器從相關(guān)器的各存儲器中讀出信息，借助適當?shù)某绦蛱幚碓撔畔?，并產(chǎn)生反饋控制信號，從而閉合跟蹤環(huán)路。在這種情況下，為了執(zhí)行碼跟蹤(碼延遲)，使用輸入信號的在前(超前)和在后(滯后)拷貝或者用差值(在前減在后)拷貝構(gòu)成輸入信號的相關(guān)結(jié)果。跟蹤碼的處理(碼延遲)在信號的搜索(檢測)的初始階段(步驟)采用。SRNS接收機中的信號搜索(檢測)靠延遲和頻率兩個參數(shù)完成。頻率搜索的位置和延遲的組合確定了搜索區(qū)域(

圖1)。根據(jù)對多普勒頻移的演繹信息、跟蹤頻率和延遲的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基準生成器穩(wěn)定性和其它參數(shù)，靠頻率搜索得到的位置數(shù)目可以在一個位置直至多打(十二個)位置的寬范圍內(nèi)變化?？垦舆t得到的位置數(shù)目由不確定性的間隔確定，在最壞的情況下等于每周期兩倍的PSG數(shù)字數(shù)目。SRNS接收機中的信號搜索在輸入信號功率電平變化的寬動態(tài)范圍的條件下完成。這個范圍取泱于SRNS衛(wèi)星的位置，傳播損耗，方向圖案(pattem)類型和其它附加因素。事實上，SRNS接收機輸入信號的功率變化的范圍在25dB之內(nèi)。SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器中所實現(xiàn)的搜索SRNS衛(wèi)星信號的處理包括搜索區(qū)域的所有位置的順序慣選擇(圖1)以及與給定檢測閾值的比較，該檢測閾值的確定源于跳躍和虛警的給定幾率，因此根據(jù)最后的信號電平計算該檢測閾值。判定給定位置信號的存在或者不存在基于對具體位置的研究結(jié)果(圖1)。
傳統(tǒng)的判定是借助硬件實現(xiàn)在SRNS接收機的數(shù)字相關(guān)器中的存儲(以1ms的間隔)，對信號有或無的判定由處理器進行，即在軟件級進行。文件[5]所公開的進行這種判定的SRNS GPS和CLONASS信號的接收機的數(shù)字相關(guān)器被看作現(xiàn)有技術(shù)。圖2示出了該現(xiàn)有系統(tǒng)的方框圖。
這里，SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器被選作現(xiàn)有技術(shù)，它包括(圖2)一個用于切換輸入信號的開關(guān)1；一個數(shù)據(jù)交換單元2；一個處理器3；第一、第二、第三和第四存儲單元4、5、6和7；一個數(shù)字載波生成器8；一個控制寄存器9；一個數(shù)字碼生成器10；一個SRNS GPS/GLONASSd基準C/A碼的生成器11；一個可編程延遲線12；第一和第二數(shù)字混頻器13和14，分別進行同相和正交信道的相關(guān)處理；第一、第二、第三和第四解調(diào)器15、16、17和18。輸入信號開關(guān)1的第一和第二信號輸入(輸入GPS和GLONASS)構(gòu)成數(shù)字相關(guān)器的信號輸入和存儲單元4-7的時鐘輸入；數(shù)字碼生成器10、數(shù)字載波生成器8和可編程延遲線12構(gòu)成數(shù)字相關(guān)器的時鐘輸入。數(shù)字相關(guān)器的信號輸入(即，開關(guān)1的信號輸入)與射頻變換器的輸出連接(圖2未示出)，其中所接收的SRNS GPS和GLONASS信號被轉(zhuǎn)換成第二中頻，該信號按FT=57.0MHz(4×14.25MHz)的時鐘頻率進行4比特模-數(shù)變換，并且SRNS GPS和GLONASS信號的同相(I)和正交(Q)分量的兩比特樣值以兩倍低于FT(即，等于28.5MHz(2×14.25MHz))的抽樣率進行整形，這里14.25MHz是關(guān)于第二中頻的SRNS GPS和GLONASS信號的平均頻率。數(shù)字相關(guān)器時鐘輸入端與射頻變換器的信號輸出FT/2連接。數(shù)據(jù)交換單元2經(jīng)數(shù)據(jù)總線連接到處理器3，并連接到存儲單元4-7的輸出，并連接數(shù)字載波生成器8、控制寄存器9、數(shù)字碼生成器10和SRNS GPS及GLONASS的C/A碼的基準生成器11的控制輸入。輸入信號開關(guān)1的控制輸入連接控制寄存器9的第一輸出，其開關(guān)輸出連接到相關(guān)處理的同相和正交信道的數(shù)字混頻器13和14。數(shù)字混頻器13和14的第二輸入分別連接數(shù)字載波生成器8的《cosine》和《sine》輸出，而其輸出連接到第一和第二解調(diào)器15和16的第一輸入之間的結(jié)點和連接到第三和第四解調(diào)器17和18的第一輸入之間的結(jié)點，上述第一至第四解調(diào)器的輸出分別連接到第一、第二、第三和第四存儲單元4、5、6和7的信號輸入。第一和第四解調(diào)器15和18的第二輸入連接到可編程延遲線12的基準C/A碼的準時(精確)《P》拷貝的輸出。第二和第三解調(diào)器16和18的第二輸入連接到可編程延遲線12的基準C/A碼的差值《E-L》拷貝或在前《E》拷貝的輸出?？删幊萄舆t線12的信號輸入連接到SRNS GPS和GLONASS的基準C/A碼生成器11的輸出，生成器11的信號輸入連接到數(shù)字碼生成器10的輸出。SRNS GPS和GLONASS C/A無線電導航系統(tǒng)的C/A碼生成器11的控制輸入和可編程延遲線12的控制輸入分別連接到控制寄存器9的第一和第二輸出。視作現(xiàn)有技術(shù)的SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器按以下方式工作。加到切換輸入信號6的開關(guān)1上的GPS和GLONASS信號分別是按FT/2(28.5MHz)的抽樣率的SRNS GPS和GLONASS信號的二比特同相(I)和正交(Q)分量。按照處理器3經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2傳送到控制寄存器9的指令，輸入信號6的開關(guān)1將SRNS GPS或GLONASS信號的二比特正交分量信號(I和Q)送到其輸出端。這些信號加到數(shù)字混頻器13和14的第一輸入端，其第二輸入端從數(shù)字載波生成器8的各個輸出端輸入在基準頻率上的信號“COS”和“SIN”。數(shù)字載波生成器8生成給定的SRNS GLOASS字母的中頻“SIN”和“COS”信號，其二進制碼由處理器3給定，或生成SRNS GPS的中頻“SIN”和“COS”信號。對于FT/2=28.5MHz的抽樣速率，SRNS GPS或GLONASS信號的中頻值位于14.25MHz的范圍內(nèi)。數(shù)字混頻器13和14恢復SRNS GLONASS信號的給定字母的信號或衛(wèi)星SRNS GPS信號，并把這些信號的頻譜轉(zhuǎn)換成基本頻帶(在零點頻率上)。來自數(shù)字混頻器13和14輸出端的信號送入解調(diào)器15、16和17、18的第一輸入端。解調(diào)器15、16和17、18的第二輸入端送入的信號是準時拷貝“P”和差值拷貝“E-L”(在前-在后)或在后拷貝《E》。解調(diào)器15、18和16、17用SRNS GPS或GLONASS的基準C/A碼的準時(精確)《P》和差值《E-L》(在前-在后)或在前拷貝分別執(zhí)行接收信號的相關(guān)處理。這些碼的拷貝由可編程延遲線12產(chǎn)生，允許C/A碼的在前與在后拷貝之間的間距從C/A碼位數(shù)長度的0.1變化到1，因而在系統(tǒng)內(nèi)形成了跟蹤SRNS接收機的碼的《窄鑒別器》?？删幊萄舆t線12響應(yīng)從SRNS GPS/GLONASS的基準C/A碼生成器11的輸出端供給的信號，形成SRNS GPS或GLONASS衛(wèi)星的基準偽隨機C/A碼。GPS生成器11工作所需的1.023MHz時鐘速率和用于GLONASS的0.511MHz時鐘速率的信號從數(shù)字碼生成器10的輸出端加到它的輸入端。產(chǎn)生的偽隨機碼序列和碼時鐘速率值的選擇由經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2傳送的處理器3的指令執(zhí)行。信號的相關(guān)結(jié)果被存儲在存儲單元4-7中。在工作于輸入信號的準時和差值拷貝的情況下，單元4存儲信號Qp的準時拷貝的相關(guān)的正交分量，單元5存儲差值拷貝Qd相關(guān)的正交分量，單元7存儲準時拷貝Ip的同相分量，單元6存儲差值拷貝Id的同相分量。存儲單元4-7中存儲的數(shù)據(jù)由處理器3控制的數(shù)據(jù)交換單元2周期性地讀出，其中有信號處理的所有算法，即搜索信號、跟蹤載波碼、和接收服務(wù)信息的算法。存儲周期等于C/A碼周期，即等于1ms。通過使用這些信號處理結(jié)果，處理器3把載頻估算值供給數(shù)字載波生成器8并把碼時鐘速率送給數(shù)字碼生成器10。
這樣，1ms間隔的數(shù)據(jù)存儲由SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器中的硬件完成(視作現(xiàn)有技術(shù))，而對信號的有或無的判定由處理器3(即，以軟件為基礎(chǔ))進行。
利用已給定的結(jié)構(gòu)有利于導航設(shè)備，其中計算器(處理器)的所有操作資源被用來解決純導航問題-在參考文件[5]所述的SRNS接收機中借助SRNS衛(wèi)星信號來進行定位。然而，這種解決方案不能向用戶提供附加服務(wù)，例如，它不適用于這樣的小型蜂窩電話機的設(shè)計，該電話機裝備了用位置數(shù)據(jù)傳送極端情況的緊急通知的部件。
本發(fā)明的公開本發(fā)明要達到的技術(shù)效果是，當使用相關(guān)器硬件中的《快速搜索》附加操作來搜索信號時，通過對SRNS信號接收機數(shù)字相關(guān)器的處理器進行卸載，來實現(xiàn)使用一個計算器(處理器)來解決定位和通信維持兩個問題。例如，在緊急消息傳送的條件下，處理器應(yīng)當處理導航消息(執(zhí)行信號的搜索和進行無線電導航測量)，以及生成和發(fā)送通信信息(執(zhí)行《通話處理》)，并控制所發(fā)送的消息等。為了實現(xiàn)這種模式，處理器操作應(yīng)當最佳化(處理器應(yīng)當“卸載”)。在解決導航問題的大多數(shù)實際情況中，SRNS信號的搜索時間被減少，處理器被卸載并用來執(zhí)行其它任務(wù)，例如，與積分相關(guān)聯(lián)的任務(wù)。
本發(fā)明的實質(zhì)在于提供一個衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)(SRNS)的信號接收機的數(shù)字相關(guān)器，它包括一個切換輸入信號的開關(guān)，其輸入端形成數(shù)字相關(guān)器的信號輸入端；一個數(shù)據(jù)交換單元，它經(jīng)合適的數(shù)據(jù)總線連接處理器和連接控制數(shù)字載波生成器輸入的第一、第二、第三和第四存儲單元的輸出端；一個數(shù)字碼生成器；和一個SRNS GPS/GLONASS系統(tǒng)的基準C/A碼生成器。在這種情況下，存儲單元、數(shù)字碼生成器、數(shù)字基準載波生成器和可編程延遲線的時鐘輸入端形成數(shù)字相關(guān)器的時鐘輸入端，開關(guān)的控制輸入端連接到控制寄存器的第一輸出端，輸入信號開關(guān)的輸出端分別連接同相和正交相關(guān)處理信道的第一和第二數(shù)字混頻器的第一輸入端，這兩個混頻器的第二輸入端分別連接數(shù)字載波生成器的“cosine”和“sine”輸出端，其輸出端連接第一和第二解調(diào)器的第一輸入端之間的結(jié)點，以及連接第三和第四解調(diào)器的第一輸入端之間的結(jié)點，這些解調(diào)器的輸出端分別連接第一、第二、第三和第四存儲單元的信號輸入端。在這種情況下，第一和第四解調(diào)器的第二輸入端與可編程延遲線的基準C/A碼的準時(精確)拷貝“P”的輸出相連接，第二和第三解調(diào)器的第二輸入端與可編程延遲線的基準C/A碼的差值(E-L)或在前“E”拷貝的輸出相連接，可編程延遲線的信號輸入端與SRNSGPS/GLONASS的基準C/A碼生成器的輸出端相連接，該生成器的信號輸入端連接數(shù)字碼生成器的輸出端；SRNS GPS/GLONASS的基準C/A碼生成器的控制輸入端和可編程延遲線的控制輸入端分別連接控制寄存器的第一和第二輸出端。該裝置還包括附加的第一和第二判定單元，它們的控制輸入端和輸出端經(jīng)合適的總線與數(shù)據(jù)交換單元連接，第一判定單元的第一和第二信號輸入端分別連接第二和第三存儲單元的輸出端，第二判定單元的第一和第二信號輸入端分別連接第一和第四存儲單元的輸出端。每個判定單元包括第一和第二模(modulus)確定裝置，它們的輸入端分別形成判定單元的第一和第二信號輸入端；一個加法器，其輸入端連接系數(shù)模裝置的輸出端；一個閾值寄存器，其輸入端形成判定單元的控制輸入端；第一、第二和第三閾值裝置，其信號輸入端分別連接加法器的輸出端和第一和第二模確定裝置的輸出端；第一閾值裝置的基準輸入端連接閾值寄存器的第一輸出端，第二和第三閾值裝置的基準輸入端連接到閾值寄存器的第二輸出端，閾值裝置的輸出端經(jīng)一個“或”電路連接到輸出寄存器的輸入端，該寄存器的輸出端實際上是判定單元的輸出端。
附圖的簡要說明要求保護的發(fā)明的實質(zhì)、實施的可能性和工業(yè)應(yīng)用性在附圖中示出。在圖1-6中圖1示出了用頻率和延遲搜索SRNS接收機中信號的區(qū)域；圖2是現(xiàn)有技術(shù)裝置的方框圖；圖3是本發(fā)明的裝置的方框圖；圖4是本發(fā)明的裝置的判定單元的方框圖；圖5顯示了本發(fā)明裝置的兩步搜索操作的算法；圖6是最佳的模檢測器的判定區(qū)域的曲線圖。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例本發(fā)明的SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器(參見圖3)包括切換輸入信號的開關(guān)1；數(shù)據(jù)交換單元2；處理器3；第一、第二、第三和第四存儲單元4、5、6和7；數(shù)字載波生成器8；控制寄存器9；數(shù)字碼生成器10；SRNSGPS/GLONASS的基準C/A碼生成器11；可編程延遲線12；同相和正交相關(guān)處理信道的第一數(shù)字混頻器13和第二數(shù)字混頻器14；第一解調(diào)器15，第二解調(diào)器16，第三解調(diào)器17和第四解調(diào)器18。開關(guān)1的第一和第二輸入端(GPS和GLONASS的輸入端)形成數(shù)字相關(guān)器的信號輸入端，數(shù)字碼生成器10、數(shù)字載波生成器8和可編程延遲線12的存儲單元4-7的時鐘輸入端形成數(shù)字相關(guān)器的時鐘輸入端。數(shù)據(jù)交換單元連接到處理器3的合適的數(shù)據(jù)總線，并且還與存儲單元4-7的輸出端連接，與數(shù)據(jù)載波生成器8、控制寄存器9、數(shù)字碼生成器10以及SRNS GPS和GLONASS的基準C/A碼生成器的控制輸入端相連接。用于切換輸入信號的開關(guān)1的控制輸入端連接控制寄存器9的第一輸出端，并且其輸出端分別連接到同相和正交相關(guān)處理信道的第一混頻器13和第二數(shù)字混頻器14的第一輸入端。數(shù)字混頻器13和14的第二輸入端分別連接數(shù)字載波生成器8的“cosine”和“sine”輸出端，其輸出端連接第一解調(diào)器15和第二解調(diào)器16的第一輸入端之間的結(jié)點，以及連接第三解調(diào)器17和第四解調(diào)器18的第一輸入端之間的結(jié)點，這些解調(diào)器的輸出端分別連接第一存儲單元4、第二存儲單元5、第三存儲單元6和第四存儲單元7的信號輸入端。第一解調(diào)器15和第四解調(diào)器18的第二輸入端與可編程延遲線12的基準C/A碼的準時拷貝“P”的輸出相連接。第二解調(diào)器16和第三解調(diào)器17的第二輸入端與可編程延遲線12的基準C/A碼的差值(E-L)或在前“E”拷貝的輸出相連接。可編程延遲線12的信號輸入端與SRNS GPS和GLONASS的基準C/A碼生成器的輸出端相連接，該生成器的信號輸入端連接數(shù)到字碼生成器10的輸出端。SRNS GPS和GLONASS衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)的基準C/A碼生成器的控制輸入端和可編程延遲線12的控制輸入端分別連接到控制寄存器的第一和第二輸出端。本發(fā)明的SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器具有附加的判定單元第一單元19和第二單元20，它們的控制輸入端和輸出端經(jīng)總線與數(shù)據(jù)交換單元2連接，判定單元19的第一和第二信號輸入端分別連接第二和第三存儲單元5和6的輸出端，判定單元20的第一和第二信號輸入端分別連接第一和第四存儲單元4和7的輸出端。每個判定單元19、20(圖4)包括第一和第二模確定裝置21和22；加法器23；閾值寄存器24；第一、第二和第三閾值裝置25、26和27；“或”電路28和輸出寄存器29。模確定裝置21和22的輸入端分別是判定單元第一和第二信號輸入端，閾值寄存器24的輸入端是判定單元的控制輸入端，寄存器29的輸出端是判定單元的輸出端。加法器23的輸入端連接到模確定21、22的輸出端。第一、第二和第三閾值裝置25、26和27的信號輸入端分別連接到加法器23的輸出端和第一和第二模確定裝置21和22的輸出端。第一閾值裝置25的基準輸入端連接到閾值寄存器24的第一輸出端，第二和第三閾值裝置26和27的基準輸入端連接到閾值寄存器24的第二輸出端。閾值裝置25-27的輸出端經(jīng)“或”電路28連接到輸出寄存器29的輸入端。
本發(fā)明的SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器的操作將被看作在包含數(shù)字化器的接收機[5]的射頻變換器的輸出端處理該接收機所產(chǎn)生的信號的一個實例。在該實例中，輸入GPS和GLONASS的同相(I)和正交(Q)分量的二比特抽樣按Fo/2(28.5MHz)的抽樣率加到SRNS GPS和GLONASS的開關(guān)1的信號輸入端6上。經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2的控制寄存器9接收到處理器3的指令時，切換輸入信號6的開關(guān)1在其輸出端產(chǎn)生SRNS GPS或GLONASS信號(I和Q)。這些信號作用于數(shù)字混頻器13和14的第一輸入端，數(shù)字混頻器13和14的第二輸入端從數(shù)字載波生成器8的相應(yīng)輸出端接收“COS”和“SIN”基準頻率信號。數(shù)字載波生成器8用處理器3形成的二進制碼產(chǎn)生預置的SRNS GLONASS字母的IF信號“SIN”和“COS”，或中頻信號SRNS GPS。對于Fo/2=28.5MHz的抽樣速率，SRNS GPS或GLONASS信號的中頻值位于(14.25MHz)的范圍內(nèi)。數(shù)字混頻器13和14提供給定字母的SRNS GLONASS信號或SRNS GPS衛(wèi)星的信號并把這些信號的頻譜轉(zhuǎn)換為基頻帶(在零頻率上)。從數(shù)字混頻器13和14輸出的信號被加到解調(diào)器15、16和17、18的第一輸出端。解調(diào)器15、18和16、17的第二輸入端所加入的分別是SRNS GPS或GLONASS的基準C/A碼的準時(精確)“P”和差值“E-L”(在前-在后)或在前“E”拷貝，它們來自可編程延遲線12的各輸出端。數(shù)字解調(diào)器15、18和16、17分別用SRNS GPS或GLONASS的基準C/A碼的準時(精確)“P”和差值“E-L”(在前-在后)或在前“E”拷貝執(zhí)行接收信號的相關(guān)處理。這些碼的拷貝(copy)由可編程延遲線12產(chǎn)生，其允許A/C碼的在前與在后拷貝之間的間隔從A/C碼的數(shù)字長度的0.1變換到1，從而在系統(tǒng)中形成跟蹤SRNS接收機碼的《窄鑒別器》(參看A.J.Van Dieredonck.,Pat.Fenton and Tom Ford."Theory and PerformanceNarrow Correlator Spacingin a GPS Receiver",Navigation,Journal of theInstitute of Navigation,Vol.39,No.3,1982)[6]?？删幊萄舆t線12處理從SRNSGPS/GLONASS的C/A基準碼生成器11的輸出端供給的信號，生成SRNS GPS或GLONASS衛(wèi)星的基準偽隨機A/C碼。對GPS為1.023MHz或?qū)LONASS為0.511MHz的生成器11工作所需的頻率的時鐘信號從數(shù)字碼生成器10的輸出端送入生成器11的信號輸入端。所產(chǎn)生的偽隨機碼序列類型和碼時鐘速率數(shù)值的選擇取決于由處理器3生成經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2起作用的指令。信號相關(guān)的結(jié)果被存儲在存儲單元4-7中。在用輸入信號的準時和差值拷貝操作的情況中，單元4存儲Qp信號的準時拷貝相關(guān)的正交分量，單元5存儲差值拷貝Qd相關(guān)的正交分量，單元7存儲準時拷貝Ip的同相分量，單元6存儲差值拷貝Id的同相分量。存儲單元4-7中存儲的數(shù)據(jù)由處理器3經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2周期性地讀出，它提供了信號處理的所有算法，即搜索信號的算法，跟蹤載波和代碼的算法，以及接收服務(wù)信息的算法。存儲周期等于A/C碼周期，即，1ms。使用這些信號處理結(jié)果，處理器3通過把載頻的估算值發(fā)送給數(shù)字載波生成器8和把碼時鐘速率的值發(fā)送給數(shù)字碼生成器10來控制數(shù)字相關(guān)器8。
在上述部分中，本發(fā)明的SRNS信號接收機的數(shù)字相關(guān)器的操作與現(xiàn)有裝置的操作相同。與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比較，本發(fā)明的新特點在于，借助于生成檢測信號的判定單元19、20在本發(fā)明的數(shù)字相關(guān)器的硬件部分中實現(xiàn)快速搜索的可能性。這樣，這些信號由處理器3經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2讀出，使其除了基于處理器3使用的軟件執(zhí)行通常的《慢速搜索》模式外還能執(zhí)行信號的“快速搜索”模式。這樣，快速搜索用于強信號的檢測，而慢速搜索僅在快速搜索未成功完成的情況下切換進來。按本發(fā)明的技術(shù)方案搜索信號的所述算法的應(yīng)用由以下條件規(guī)定。很明顯，對無信號的判定需要花費最大的搜索時間，這是因為信號可以僅在一個位置中。因此，減少搜索信號的時間的最有效方式是當判定在給定位置沒有信號時減少所用的時間(拒絕時間)。因此，首先，假定出現(xiàn)強信號，對其進實行快速搜索(對強信號計算的閾值上的拒絕時間要短得多)，如果未檢測到信號，對于具有最小電平的信號的閾值重復搜索(慢速搜索)。考慮到“信噪”比遠超過最小允許值，因此該算法的運用特別有用。它可以表示在預定的檢測獲取幾率和偽過程(falseprocedure)下具有最小能量勢(energy potential)的信號，每個位置的拒絕時間需要花費約4毫秒。因此《慢速搜索》時間比“快速”時間近似大四倍。很明顯，在最壞的情況中，包括兩步(“快速”和“慢速”)搜索的普通搜索處理僅比一次進行《慢速搜索》的處理長25％。一旦完成《快速搜索》，時間效益與單步處理相比達到了75％。
讓我們考慮在SRNS信號接收機的本發(fā)明的數(shù)字相關(guān)器中實現(xiàn)上述兩步搜索過程?；趯π盘栁恢玫氖虑暗牟淮_定性，處理器3借助數(shù)據(jù)交換單元2給出一個初始搜索位置，即預置數(shù)字載波生成器8的載波頻率和數(shù)字碼生成器10的碼頻率，以及借助控制寄存器9預置SRNS GPS或GLONASS系統(tǒng)的基準C/A碼的準時和在前拷貝的位置。然后，在自數(shù)據(jù)累積開始1毫秒之后，處理器3從判定單元19、20讀出信息。如果信號被檢測到，則執(zhí)行確認處理，并在確認處理完成之后，執(zhí)行對搜索處理將被終止或繼續(xù)的判定。如果在搜索間隔的最后點之后未檢測到信號，則執(zhí)行“慢速搜索”處理?！堵偎阉鳌诽幚硪耘c的快速搜索相同的間隔進行如下。處理器3借助單元2設(shè)置初始搜索位置，即設(shè)置數(shù)字載波生成器8的載波頻率和數(shù)字碼生成器10的碼頻率并經(jīng)控制寄存器9設(shè)置SRNS GPS或GLONASS系統(tǒng)的基準C/A碼的準時和在前拷貝的位置。然后在數(shù)據(jù)累積開始1ms之后，處理器3從所有存儲單元4-7中讀出信息。然后處理器3使用內(nèi)部算法處理所存儲的數(shù)據(jù)，并對給定位置中的信號有或無進行判定。在該處理期間，判定單元19、20的操作(圖4)按以下方式執(zhí)行。
在開始搜索處理之前，處理器3借助數(shù)據(jù)交換單元2把閾值加載到閾值寄存器24上，該閾值根據(jù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換的SRNS信號接收機中使用的虛警檢測的所需幾率以及對輸入樣值編碼的方法和抽樣速率來確定。模確定裝置21、22分別在存儲單元5、6(或4、7)中得到同相和正交累積的結(jié)果，在這里它們的模被確定。加法器23給出/I/和/Q/量值之和。閾值裝置25-27分別將/I/、/I/+/Q/和/Q/與閾值Zthresh2、Zthresh1和Zthresh2進行比較。如果超過了閾值，則閾值裝置產(chǎn)生具有與(例如)《邏輯1》電平的電平相對應(yīng)的信號，否則它產(chǎn)生具有《邏輯0》電平的信號。即使在“或“電路28的輸入端出現(xiàn)具有電平“1”的一個信號，在該電路的輸出端也產(chǎn)生信號“1”，它表示信號被檢測。如果相反，則在“或”電路28的輸出端產(chǎn)生信號“0”。“或”電路28的輸出信號在輸出寄存器29中記錄并且由處理器3經(jīng)數(shù)據(jù)交換單元2讀出它的值。在信號值被讀出后，寄存器29被復位。上述的兩步搜索期間操作的順序在兩級搜索算法的程序(圖5)中示出。正如從該搜索算法中明顯看出的那樣，“快速搜索”模式借助判定單元19、20在本發(fā)明的數(shù)字相關(guān)器的硬件部分中實施。如果需要，“慢速搜索”處理在處理器3中完成。
根據(jù)實際經(jīng)驗，在大多數(shù)情況中接收信號是足夠強的信號，使得它們在“快速搜索”步驟已經(jīng)被檢測。在1ms期間判定給定位置中信號的出現(xiàn)的技術(shù)方案就是基于這種信號。在這種情況下，為了簡化電路，不使用最佳正交定位器(locator)Zoptimum=I2+Q2≥Zthreshlod]]>而是選擇使用更簡單的實現(xiàn)算法的模定位器，例如，源于下列一組算法Zmodular1=｜I｜+｜Q｜≥Zthreshold_mod ulus1(2)Zmodular2a=｜I｜≥Zthreshold_modulus2或 (3)Zmodular2b=｜Q｜≥Zthreshold_mod ulus2Zmod ular1=｜I｜+｜Q｜≥Zthreshold_mod ulus1(4)Zmodular2a=｜I｜≥Zthreshold_mod ulus2或Zmodular2b=｜Q｜≥Zthreshold modulus2檢測算法的具體類型的選擇以及把“快速搜索”指定給數(shù)字相關(guān)器的硬件部分和把“慢速搜索”指定給可編程部分具體地說按下述方式約定。圖6示出了最佳和模定位器的判定區(qū)域。對于最佳定位器，它是一圓形；對于模算法(2，3)，它是矩形；對于公式(4)的算法，它是八邊形。因此，判定區(qū)域更接近圓形，定位器特性更接近最佳特性。然而，在這種情況下，使用更復雜的模算法不會導致比公式(4)有更有效的功率增益(power gain)。
在1ms的判定處理期間，非相干(incoherent)的累積不再需要，因而能夠以相當簡單的方式實現(xiàn)搜索電路。另一方面，當搜索到弱信號時，非相干累積是需要的，此時需要高容量的存儲裝置、1-ms加法器和閾值校正裝置。很明顯，它不適于在數(shù)字相關(guān)器的硬件部分中實現(xiàn)這樣的電路，其原因是設(shè)備的大體積；慢速搜索應(yīng)用的幾率低，因此給定設(shè)備將不被使用；它必需使用最佳正交檢測器(1)，實現(xiàn)和Z=ZE+ZL≥Zthreshold_e+1，以便考慮搜索周期延遲的步長增量。讓我們定義信號的最小電平，它是在《慢速搜索》期間由本發(fā)明的裝置用(是典型值的)遺漏幾率β=0.01和虛警α=0.0005檢測該信號。在這種情況下，我們首先使用算法(1)。由于Z可以看作與正常分量I和Q無關(guān)的矢量長度(參看，Thebook"Search，Detection and Measurement of Parametersof Signals ofin Radio Navigation systems",edited by M.Kazarinov,Moscow,"Sovetskoe Radio",1975)[7]，因此它的信號不出現(xiàn)的幾率密度按瑞利(Raleigh)定律給定。Wn(Z)=2ZN0Eexp(Z2N0E)]]>信號出現(xiàn)的幾率密度按Raleigh定律概括Ws(Z)=2ZN0Eexp(-Z2+E2N0E)I0(2ZN0)]]>具有E=(Is-)2+(Qs-)2,]]>這里I0是零階Bessel函數(shù)。Is‾,Qs‾-]]>信號出現(xiàn)時的正交平均值。至此對于誤差幾率我們有α=∫Zthreshold∞2ZN0Eexp(-Z2N0E)dZ=exp(-R22)]]> q=2EN0-]]>匹配濾波器輸出的信噪比。
對于上述的誤差幾率，使用來自適用的出版物的數(shù)據(jù)(參看“Handbookon Probability Calculations”,Moscow,1970.By G.G.Abegauz,A.A.Tron,Yu.N.Kopenkin,I.A.Korovina)[8]，我們可以得到q≌5.2。從最佳轉(zhuǎn)換到模定位器導致能量損失，該能量損失由下列參數(shù)表征ξ=(qmod/q)2-1，這里q和qmod分別是用于最佳和模定位器的信噪比的閾值。
參數(shù)ξ取決于檢測所需的參數(shù)。對于具有預定的α和β的模算法(2，3)，損耗達到0.7dB或更高，并且對定位器其技術(shù)要求更加苛刻，而基于算法(3)的定位器具有低得多的損耗，它實際上不依賴于定位器參數(shù)α和β[7]。因此使用該算法是合理的。對于建議類型的模定位器和預置ξ=0.0067的檢測特性，這導致所需 qmod≌5.217。在SRNS信號接收機的射頻變換器的輸出端確定所需的能量勢L=PN0=qmod22Taccumulation]]>這里，T是預檢測器累積時間。
在1ms時間間隔內(nèi)累積期間， L≌41.3dB。按具有上述誤差幾率的約3.4dB的數(shù)字相關(guān)器中的搜索的最大損耗從0.56到0.91dB(分別用于3和4級數(shù)模變換)的數(shù)模變換的最大損耗，可以確保SRNS信號接收機的射頻變換器輸出端上能量勢為 L≌45.5dB*Hz的信號將被檢測到。根據(jù)“Global PositioningSystem:Theory and Applications,edited by Bradford W.Parkinson,James Jr.USA,1995”[9]中給定的數(shù)據(jù)，在標準操作條件下標準接收機的GPS C/A碼的最小能量勢制定為45.2dB，對于其輸出功率比規(guī)范所列的高6dB的新衛(wèi)星，它可以達到51.5dB*Hz。很明顯，設(shè)備標準操作條件下的《快速搜索》將確保所有SRNS衛(wèi)星的實際信號的接收，即將以處理器的最小功率消耗實現(xiàn)信號搜索。在相同方式中，通過把我們的注意力集中在強信號搜索上，實際上排除了頻率和時間兩方面的旁瓣捕獲，因而也減少了信號恢復的時間。
工業(yè)應(yīng)用性從上述的說明中，可以清楚地看出本發(fā)明是切實可行的，可以在工業(yè)上應(yīng)用。實際上，本發(fā)明基于可得到的工程設(shè)備，解決了所形成的技術(shù)問題，因計算負荷低而允許人們使用便宜的處理器，可以用于同時工作于SRNS GPS和GLONASS信號的小型一體化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并且與使用公共計算資源的其它導航和/或通信裝置兼容。
權(quán)利要求
1．一種接收衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)信號的接收機的數(shù)字相關(guān)器，包括輸入信號開關(guān)，其輸入端形成數(shù)字相關(guān)器的信號輸入端；數(shù)據(jù)交換單元，經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)總線連接處理器和連接第一、第二、第三和第四存儲單元的輸出端，并連接到數(shù)字載波生成器、控制寄存器、和SRNS GPS/GLONASS系統(tǒng)的數(shù)字基準C/A碼生成器的控制輸入端；存儲單元、數(shù)字碼生成器、數(shù)字基準載波生成器和可編程延遲線的時鐘輸入端形成數(shù)字相關(guān)器的時鐘輸入端；輸入信號開關(guān)的控制輸入端連接控制寄存器的第一輸出端；輸入信號開關(guān)的輸出端分別連接同相和正交相關(guān)處理信道的第一和第二數(shù)字混頻器的第一輸入端，其第二輸入端分別連接數(shù)字載波生成器的“cosine”和“sine”輸出端，其輸出端連接第一和第二解調(diào)器的第一輸入端之間的結(jié)點，和連接第三和第四解調(diào)器的第一輸入端之間的結(jié)點，這些解調(diào)器的輸出端分別連接第一、第二、第三和第四存儲單元的信號輸入端；第一和第四解調(diào)器的第二輸入端與可編程延遲線的基準C/A碼的準時(精確)拷貝“P”的輸出相連接；第二和第三解調(diào)器的第二輸入端與可編程延遲線的C/A碼的差值“E-L”或在前“E”拷貝的輸出相連接，可編程延遲線的信號輸入端與SRNSGPS/GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的C/A碼的載波生成器的輸出端相連接，該生成器的信號輸入端連接數(shù)字碼生成器的輸出端；SRNS GPS/GLONASS衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng)的C/A碼載波生成器的控制輸入端和可編程延遲線的控制輸入端分別連接控制寄存器的第一和第二輸出端，其特征在于該數(shù)字相關(guān)器還包括第一和第二判定單元，其控制輸入端和輸出端經(jīng)對應(yīng)的總線與數(shù)據(jù)交換單元連接；第一判定單元的第一和第二信號輸入端分別連接第二和第三存儲單元的輸出端；第二判定單元的第一和第二信號輸入端分別連接第一和第四存儲單元的輸出端；每個判定單元包括第一和第二模確定裝置，其輸入端分別形成判定單元的第一信號輸入端和第二信號輸入端；加法器，其輸入端連接模確定裝置的輸出端；閾值寄存器，其輸入端形成判定單元的控制輸入端；第一、第二和第三閾值裝置，其信號輸入端分別連接加法器的輸出端和第一和第二模確定裝置的輸出端；第一閾值裝置的基準輸入端連接閾值寄存器的第一輸出端，第二和第三閾值裝置的基準輸入端連接閾值寄存器的第二輸出端；閾值裝置的輸出端經(jīng)一個“或”電路連接到一檢測信號整形器的輸入端，該整形器的輸出端是判定單元的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明涉及無線電導航領(lǐng)域,提供將一處理器組合用于定位和通信。為此,第一和第二判定單元的控制輸入端和輸出端經(jīng)總線與數(shù)據(jù)交換單元連接;第一判定單元的各信號輸入端分別連接第二和第三積分器的輸出端,而第二判定單元的各信號輸入端分別連接第一和第四積分器的輸出端。每個判定單元包括:第一和第二模確定裝置,一個加法器,其輸入端連接模確定裝置的輸出端;一個閾值寄存器一和三個閾值裝置,其各個信號輸入端分別連接加法器的輸出端和第一和第二模確定裝置的輸出端。第一闊值裝置的基準輸入端連接閾值寄存器的第一輸出端,第二和第三閾值裝置的基準輸入端連接閾值寄存器的第二輸出端,闡值裝置的輸出端經(jīng)一個“或”電路連接檢測信號整形器的輸入端。
文檔編號G01S5/14GK1285921SQ98813053
公開日2001年2月28日 申請日期1998年11月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月11日
發(fā)明者安德烈·L·羅格, 博里斯·D·費多托夫, 弗拉迪米爾·N·伊萬諾夫, 亞歷山大·N·科羅特科夫, 維克特·I·馬拉欣, 瑟蓋·B·皮薩雷夫, 丹尼斯·G·波維雷尼, 米凱爾·J·索欣, 博里斯·V·謝博謝維奇 申請人:三星電子株式會社