[发明专利]消除多路误差的接收卫星定位信号的方法和电路

说明书

本发明涉及用来通过卫星定位的接收机，例如GPS(全球定位系统)接收机。

GPS利用在精确确定的轨道上围绕地球旋转的卫星星座，亦即，能够在所有时刻了解任一卫星的位置。这些卫星发送出包含导航数据的射频信号和使每一卫星能被识别的代码。这些代码经受一载波频率的相位调制(BPSK调制)。地面上或一陆地、空中或海上运载工具上的GPS接收机可同时接收来自数个卫星的信号，对其与每一卫星的距离作出精确计算，并由此精确地推导出它在一地面参考系统中由纬度、经度和高度表示的准确位置。由此还能推算出在此GPS的瞬时参考系统中接收的精确日期和时间。最后，可据此利用多普勒测定法来得到它自己在此地面参考系统中的速度矢量(在一接收机被装在运动中的运载体上时)。

在GPS中，每一卫星均由一为它专用的并重复地(例如每数毫秒)调制由卫星送出的载波频率的伪随机码来加以识别。有些系统接近于GPS系统，特别是GLONASS系统，其中也存在这种伪随机码，只是它不被用来识别各个卫星。将说明的本发明可直接应用于GLONASS系统，但为更简单起见我们下面将仅引用GPS，更具体说是GPS的“民用”部分，此GPS包括的军用部分本发明也是能适用的。

此伪随机码为一长代码(1.023MHz的1023bit，即1毫秒)，其主要功能之一是能在远远大于信号电平的(例如30dB)噪声电平中提取来自卫星的信号。这种技术是当前公知的扩展频谱发送技术。在接收机中，在所接收到的信号和一与期望在此信号中发现的代码相同的周期伪随机码之间的相关运算来实现的。如果此代码瞬时不吻合，在所接收的信号与由本地代码发生器所产生的本地代码之间即不相关。如果它们是差不多吻合的，就存在着一定的相关性，这种吻合越精确相关能量就将越大。因此就可能建立一相关信号，它能被用来对一本地代码发生器作伺服控制直至达到本地代码与卫星发送的调制该信号代码严格地相吻合。然后代码伺服控制环路即能用来维持这种吻合。

该伪随机码由卫星以接收机所知道的极精确的时刻发送。特别地，这些时刻根据代表每一毫秒此伪随机码起始的特征二态跃变(称之为出现时间)加以识别。此相关运算被用来确定这些代码到达接收机的时刻：此本地代码的发送特征时刻亦即出现时间被确定，而因为该本地代码是与生成最大的相关时接收的代码相吻合的所以这一时刻即代表所接收代码到达的时刻。卫星发射代码的瞬间与接收机接收此代码的时刻之差用来确定信号在卫星与接收机之间的旅行时间。众所周知，信号的旅行速度为光速，因而能够计算接收机与一给定卫星之间的距离。对另外二个卫星进行同样的操作，利用三角网就可确定接收机的准确位置。如采用第四个卫星，就可消除接收机的时钟误差，因为接收机的时钟不如卫星的精确。除开接收机的位置外，还可计算在GPS卫星的时间参考系统中进行位置测定的准确时间。

因此确定位置的精度在很大程度上依赖于确定该伪随机码的接收时刻的精度。由于接收卫星码的时刻是通过测量本地码的发送时刻来测量的，当它以最大功率与所接收的代码相关时，并且当因而假定它与所接收的代码完全吻合时，则这种精度本身实质上取决于相关运算的质量。

相关运算是所接收的信号(转置成低频但保持其相位调制)与由一本地代码发生器所产生的本地代码之间的简单相乘。如果代码间的互相吻合到小于一个码的时刻亦即一时隙(Chip)之内，就能得到一定能级的相关信号。一时隙是代码的二连续位(在1023位中)之间的间隔T。在等于2T的时间间隔内，相关信号因代码间的吻合更精确而更强。对于本地代码与所接收代码之间的精确吻合存在有一最大的相关信号。

图1表明所接收代码与本地代码间的理论相关函数，亦即作为接收代码与本地代码间的瞬时偏离的函数的相关信号能量，如果此代码早或迟的偏离大于一时隙它就等于零。在代码间的瞬时偏离由-T减至零时它线性增加而在此瞬时偏离在另一方向由零增加到+T时它再作线性降低。偏离大于T它保持为零。在这一三角形相关曲线中，三角形的顶点表示代码间的准确吻合点。

应理解的是这种三角形形状为一理论的形状。在现实中此三角形的底边与顶点因限于变化程度的相关电路的带宽的关系是稍许呈弧形的。这里以下的说明的论据将根据此理论形式，而本发明则基于这些相关曲线的线性近似。

因此，相关运算就是使得本地代码相对从卫星接收到的代码滑动直至相关信号达到最大。一旦达到这一结果，本地码产生器就被伺服控制使得相关器继续地产生一最大相关峰值。