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CN101262246B - 用于获取和追踪展频信号的方法及装置 - Google Patents

用于获取和追踪展频信号的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于获取和追踪展频信号(spreading signal)的方法及装置。方法包括：接收展频信号；对展频信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；将相干性积分结果储存至存储器装置；将来自存储器装置的相干性积分结果进行非相干的累积以构成信号强度；比较信号强度和预设的临界值；以及当信号强度超过临界值时，执行特定的操作。本发明为使侦测电路达到更高的更新速度并改进展频信号的搜寻和追踪，非相干性积分范围持续并逐步转换，提供非相干性区段更大的自由度。利用本发明，即使展频信号强度非常弱甚至信号受到严重阻断或干扰发生的时候也可以迅速获取信号。

Description

用于获取和追踪展频信号的方法及装置
技术领域
本发明涉及展频信号(spreading signal)的获取和追踪，尤其有关于在一个或多个全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，以下简称GNSS)中对卫星信号的获取和追踪。
背景技术
获取并追踪展频信号通常需要对从匹配滤波器(match filter)中接收到的信号进行一段时间积分。如果估测载波相位，则称为相干性积分(coherentintegration)。如果忽略载波相位信息，则称为非相干性积分(non-coherentintegration)。
当接收的信号较弱的时候，如果在积分后要维持可接受的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)则需要较长积分期间。然而，在通信系统中，长积分期间通常引发两个问题。一个问题是锁相回路以及延迟锁定回路(delay lockloop)的更新率以及回路带宽受到限制；另一问题是在积分过程中，如果发生阻断和干扰情况，接收器的侦测率将降低从而导致更长的重新获取时间。图1为相干性积分和非相干性积分的示意图。如所属领域的技术人员所知，输入信号通过混频器1而以码产生器2提供的码复本(code replica)被解展频。信号的I部分和Q部分通过混频器3和4以载波产生器5所提供的载波而消除都卜勒成分(Doppler-wiped-off)。经过处理的I部分和Q部分通过积分与累加单元6及7加以积分，并储存在相干存储器8中作为相干性积分。在非相干存储器9中进一步地累积相干性积分以作为非相干性积分。
在接收正常强度信号情况下，通常使用相干性积分作为信号的获取和追踪方式。在接收弱信号情况下，非相干性积分对于增加展频信号的增益相当有效，例如在信号被阻断或干扰，或在室内接收的情况下。
在GPS L1 CA编码接收过程中，如果不确知位同步(bit sync)，则相干性积分区段通常少于20毫秒。在信号的追踪或引入(pull-in)阶段，相干性积分长度TC在位同步确定后能延长到20毫秒。在实际使用中，非相干性积分区段，即非相干性积分数目N乘以相干性积分时间(TC毫秒)，在追踪或获取弱GPS信号的过程中通常2秒或者更长。
图2显示传统接收器信道操作的参考流程图。在传统的接收器设计中，如果在第一次非相干性积分区段中，接收器对弱的展频信号失锁(lose lock)，则需要第二个非相干性积分区段以重新获取展频信号。在第二个非相干性积分区段开始时，会丢失第一非相干性积分区段的所有信息。
正如所述，想要成功获取弱的展频信号，需要非相干性积分区段足够长且没有严重的阻断和干扰。也就是说，在足够长的区段中，弱的展频信号在原有信号信道中的积分执行过程必须是不间断的，即没有突发的阻断和干扰。然而，如果严重的信号阻断和干扰发生在积分的区段期间，而无法在积分过程后使积分值超过侦测临界值，按照传统的方法则需要另外一段很长的时间才可以。
图3为另一实施例的示意图。如图所示，严重的信号阻断和干扰发生在第一非相干性积分区段并持续到第二非相干性积分区段。因此，在这一实施例中，合格的积分结果(即信噪比大于临界值)到第三个积分区段完成后才能得到。换句话说，消耗三个积分区段以获取一个有效积分结果(即积分后超过信噪比的侦测临界值)。那么卫星信号的追踪和重新获取将是一段相当长的时间。例如，假定非相干性积分区段为2秒，在整个过程中的短期的信号阻断和干扰就很可能使接收器通道无法在6秒内锁定卫星。
在搜寻阶段中，如果在正确的编码环境和载波频率的前提下发生较强的阻断或者干扰，就需要更多的时间来搜寻。这个时间的长度视总信号搜索范围而定。这样的问题经常发生在传统的展频信号接收器的设计中。
发明内容
有鉴于此，所以需要一种改进的方法以缩短在卫星信号追踪和接收中所需的时间长度。
本发明提供一种用于展频信号获取和追踪的方法，该方法包括接收展频信号；对展频信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；从第一时间点开始，累积第一预设数目的相干性积分结果作为非相干性积分结果；以及从第二时间点开始，累积第一预设数目的相干性积分结果作为另一非相干性积分结果，第二时间点比第一时间点延迟第二预设数目的相干性积分区段。
本发明还提供一种用于展频信号获取和追踪的方法，该方法包括接收展频信号；对展频信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；将相干性积分结果储存至存储器装置；将来自存储器装置的相干性积分结果进行非相干的累积以构成信号强度；比较信号强度和预设的临界值；以及当信号强度超过临界值时，执行特定的操作。
本发明还提供一种用于展频信号获取和追踪的装置，包括天线，用来接收展频信号；射频处理模块，用来降转换、滤波、放大所接收的信号；相关器，将接收到的信号相干的积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；存储器装置；以及处理器，用于累积相干性积分结果，以便从第一时间点起将第一预设数目的该相干性积分结果作为非相干性积分结果储存到存储器装置，并从第二时间点起将第一预设数目的相干性积分结果作为另非相干性积分结果储存到存储器装置，第二时间点应比第一时间点延迟第二预设数目的相干性积分区段。
本发明还提供一种用于展频信号获取和追踪的装置，包括天线，用来接收展频信号；射频处理模块，用来降转换、滤波、放大接收而来的展频信号；相关器，将接收到的信号进行相干的积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；存储装置，用来储存相干性积分结果；以及处理器，将储存在存储器装置中的相干性结果进行非相干的累积，以构成信号强度，并当信号强度大于预设临界值时执行特定的操作。
本发明能够快速的获取信号，坚实的追踪信号并迅速的重新获取信号。尤其当目标卫星的信号强度弱且不稳定的时候，其中不稳定指当信号接收过程中有较严重的阻断或者干扰。使用本发明提供的方法和装置，非相干积分范围比传统的信号接收器中应用的非相干性积分范围更灵活，更高效。
附图说明
图1为相干性积分和非相干性积分的示意图。
图2为GPS接收信号信道的状态图。
图3为在现有技术中展频信号的追踪和获取中信号积分方案示意图。
图4为在本发明中展频信号的追踪和获取中信号积分方案示意图。
图5为在本发明中，当积分过程中出现严重信号阻断，展频信号的追踪和获取中信号积分方案示意图。
图6为本发明中一种展频信号的获取和追踪装置结构的方块图。
具体实施方式
本发明中，展频信号的获取和追踪方式如下所述。
如图4所示，假定选中相干性积分区段TC为20ms，每100个相干性积分区段的大小总计构成了2s的非相干性积分区段。为方便描述，数字100设为非相干数目N。相干性积分区段Tc根据状况的不同可以为任何合适的时间段。在最初的卫星搜索阶段，当数据位同步(data bit sync)预先不知道或者二次编码顺序(secondary code sequence)不同步时，可选一个更小的相干积分区段，如1ms或4ms，进行积分。然而，当信号位同步(signal bit sync)或二次编码同步后，可以选择更长的相干性积分区段以得到更高的追踪灵敏度。非相干数目N，也可以为任何合适的数值。通常，为了在信噪比和侦测更新带宽中取得最佳的折衷，一种自动调节的方法或装置被用来控制非相干积分数目N。
在一实施例中，称为MPRAM的额外存储器被用于储存相干性积分结果的数量(或强度)，它在后面将作进一步描述。那么，一旦获取新的相干性积分结果，便能从来自MPRAM的相干性积分结果计算出新的非相干性积分结果。假定非相干性积分区段Tn包含相干性积分结果TC-99到TC，那么下一积分区段TN+1应该包括相干性积分结果TC-98到TC+1。即非相干性积分根据相干性积分区段的变化持续不断的转换。在这个实施例中，非相干性积分区段TN根据相干性积分区段TC的变化而转换。然而，非相干性积分区段TN能够通过任何其它的适当时段的变化转换，例如，2个或其它数目的相干性积分区段TC。转换步骤可以依照期望改变。当非相干性积分区段TN的最后时间点在下一次由tn转换到tn+1时(例如20ms的相干性积分区段TC的转换)，下一非相干性积分区段TN+1(已转换的)的非相干性积分结果被算出和储存。非相干性积分区段TN+1中相干性积分结果被累积。
只要当前非相干性积分区段(例如TN+1)中的新的相干性积分区段的相干性积分结果被累积，前一非相干性积分区段(例如TN)的最早相干性积分区段的相干性积分结果将被舍弃。这样做，就能保持2s的非相干性积分区段的最新且完整的积分结果。
本发明的优点如图5所示，当发生信号阻断，使用本发明的方案，非相干性积分区段(TN)的完整积分可以在2s内获取，例如，当信号阻断刚刚过去后立即获取。因此，由于信号阻断不能锁定卫星信号时，依照本发明的方法能够在很短时间内重新获取到卫星信号。
如图6所示，本发明描述了更多的细节，图6为本发明追踪和获取展频信号装置的各部分结构的方块图。
本发明中展频信号的获取和追踪装置包括用来接收展频信号(例如来自GPS或伽利略系统的信号)的天线41，天线41所接收的展频信号送往射频处理模块42，射频处理模块42负责所有射频相关处理，例如降转换(down converting)、滤波、放大接收到的信号。从射频处理模块42输出的信号进入相关器43。众所周知的，相关器43对接收到的且处理过的信号执行相关操作以积分此处的信号强度。相关器43在每个相干性积分区段(TC)对信号的相干性积分结果进行积分并将这个结果存储到储存装置44。所述装置还包括处理器45，处理器45决定每个相干性积分区段(TC)的期间和非相干数目N。非相干性积分区段等于相干性积分区段乘以非相干数目。如果相干性积分区段为20ms，非相干数目为100，那么非相干性积分区段20ms×100＝2s。也就是说，一个非相干性积分结果是100个相干性积分结果的累积。
在另一实施例中，为了非相干性积分，处理器45把相干性积分结果存储到作为存储池(memory pool)的存储装置44(MPRAM)中。当获取新的相干性积分结果后，新的非相干结果可以从存储池计算出。直到获取足够高的信噪比，这种操作才不会再被重复进行。在这个实施例中，非相干性积分范围(non-coherent integration window)为相干性积分区段的连续或不连续集合。也就是说，非相干性积分区段和它之前的非相干性积分区段间的间隔最小单位为一个相干性积分间区段。然而，这个间隔可以是2个或2个以上相干性积分区段。该间隔越短，本装置的灵敏度越高，同时需要较多的存储空间。
正如所述，在每个相干性积分区段过程中，进行信号相干的积分并将其储存成相干性积分结果。在每个非相干性积分区段中，相干性积分结果被累积以获取信号强度S。本发明装置中，运用所建议的相干性积分暂存存储器装置，允许解展频中的非相干性积分区段控制，较现有技术更为绵密与弹性。
在另一实施例中，相干性积分结果的累积(信号强度S)被作为相干性积分监控并一个接一个的被添加。当信号强度S(相干性积分结果的累积)达到或超过临界值STH，处理器45允许信号进入下一模块以执行接下来的操作，例如信号追踪。也就是说，直到一个完整的非相干性积分区段的信号强度被获取时，处理器4 5才会允许信号进行接下来的操作。当信号强度S足够高的时候，信号进入导航模块46，导航模块46可以产生实际应用的导航信息。一般的，信号强度S必须大于依据一段时间内错误报告率的概率分析所预设的临界值。当然这个临界值可以依据条件和需要动态改变。
在这个实施例中，如前所述，在每个时间区段中，信号被相干性积分，并且将相干性积分结果被储存在存储器装置44中。非相干性积分利用相干性积分结果的累积以得到足够的信号强度S。每当一个新的相干性积分区段的相干性积分结果被累积，则信号强度S被更新。因为储存资源有限，累积新的相干性积分结果的同时，会丢弃最前的相干性积分结果以避免有限存储空间的饱和。如果信号强度S大于临界值STH，处理器45则决定触发信号追踪。对于GNSS接收器来说，在信号追踪过程中编码电路和载波电路可以动态调整。每当信号强度S低于临界值STH，信号追踪会暂停。整个过程不断的持续和重复进行。
使用本发明获取卫星展频信号(例如GPS信号)，非相干积分范围一步步由相干性积分的结果不断的累积。利用相干性积分暂存存储器的方式，使非相干性积分范围以小于非相干性积分区段的方式前进。在实施例中，每一步阶一个相干性积分区段的时间长度。相应的，即便信号的强度很弱或者信号被严重的阻断，足够的卫星信号强度可以被迅速获取和完好保持。

Claims (20)

1.一种用于获取和追踪展频信号的方法，包括：
接收展频信号；
对该展频信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；
从第一时间点开始，累积第一预设数目的该多个相干性积分结果作为非相干性积分结果；以及
从第二时间点开始，累积该第一预设数目的该多个相干性积分结果作为另一非相干性积分结果，该第二时间点比该第一时间点延迟第二预设数目的该多个相干性积分区段。
2.根据权利要求1所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，该第二预设数目小于该第一预设数目。
3.根据权利要求2所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，该第二预设数目为1。
4.根据权利要求2所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，该第二预设数目为可变的。
5.根据权利要求1所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，该多个相干性积分结果储存在存储器装置中并且该非相干性积分结果可以依据储存在该存储器装置中的该多个相干性积分结果计算出。
6.一种用于获取和追踪展频信号的方法，包括：
接收展频信号；
对该展频信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；
将该多个相干性积分结果储存至存储器装置；
将来自该存储器装置的该多个相干性积分结果进行非相干性累积以构成信号强度；
比较该信号强度和预设的临界值；以及
当该信号强度超过该临界值时，执行特定的操作。
7.根据权利要求6所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，该展频信号为全球导航卫星信号。
8.根据权利要求6所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，当该信号强度低于该临界值时，暂停该特定的操作。
9.根据权利要求6所述的用于获取和追踪展频信号的方法，其特征在于，可以根据错误报告概率分析得出该临界值。
10.一种用于获取和追踪展频信号的装置，包括：
天线，用来接收展频信号；
射频处理模块，用来降转换、滤波、放大所接收的该展频信号；
相关器，将从该射频处理模块接收到的信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；
存储装置；以及
处理器，用于累积该多个相干性积分结果，以便从第一时间点起将第一预设数目的该多个相干性积分结果作为非相干性积分结果储存到该存储器装置，并从第二时间点起将该第一预设数目的该多个相干性积分结果作为另一非相干性积分结果储存到该存储器装置，该第二时间点应比该第一时间点延迟第二预设数目的该多个相干性积分区段。
11.根据权利要求10所述的用于展频信号获取和追踪的装置，其特征在于，该第二预设数目小于该第一预设数目。
12.根据权利要求11所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，该第二预设数目为1。
13.根据权利要求11所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，该第二预设数目为可变的。
14.根据权利要求10所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，先前的该相干性积分结果被丢弃。
15.一种用于获取和追踪展频信号的装置，包括：
天线，用来接收展频信号；
射频处理模块，用来降转换、滤波、放大接收而来的该展频信号；
相关器，将从该射频处理模块接收到的信号进行相干性积分，以获取每个相干性积分区段的相干性积分结果；
存储器装置，用来储存该多个相干性积分结果；以及
处理器，将储存在该存储器装置中的该多个相干性结果进行非相干性累积，以构成信号强度，并当该信号强度大于预设临界值时执行特定的操作。
16.根据权利要求15所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，当该信号强度低于该临界值时，该处理器需要暂停该特定的操作。
17.根据权利要求15所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，该临界值依照需要而设定。
18.根据权利要求17所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，该需要包括信号完整性和信号搜寻或追踪的能力之间的折衷。
19.根据权利要求15所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，还包括导航模块，当该信号强度超过该临界值时，该处理器请求该导航模块执行追踪。
20.根据权利要求19所述的用于获取和追踪展频信号的装置，其特征在于，当该信号强度低于该临界值时，该处理器请求该导航模块暂停追踪。
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