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专利名称：信标信号的验证的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于验证已检测到的编码调制信号的方法，所述信号由定位系统的信标发射机发射并且由该定位系统的接收机接收。信标信号基于在特定信标的相应给定编码和接收到的信标信号之间执行的相关程序而被检测。本发明同样涉及一种对应的接收机、一种包括这样的接收机的电子设备、一种与这样的接收机协同操作的设备，以及一种相应的定位系统。
背景技术：
基于对信标发射机发射的信号进行估值的众所周知的定位系统是GPS(全球定位系统)。GPS中的星座包括被用作绕地球运行的信标发射机的20多颗卫星。这些卫星的分布保证从地球上的任意点通常能够看到5到8颗卫星。
卫星(也被称为空间飞行器(SV))中的每一个都发射两种微波载波信号。这些载波信号中的一个L1被用来传送标准定位服务(SPS)的导航消息以及编码信号。L1载波信号被带有不同C/A(粗捕获)码的每个卫星调制。因此，针对不同卫星的发射获得了不同信道。在1MHz带宽上扩展频谱的C/A码每1023个码片(chip)被重复一次，编码出现时间为1ms。L1信号的载波频率进一步由比特率为50bit/s的导航信息调制。导航消息的50Hz数据位流与C/A码转换对准。导航信息特别地包括像星历数据这样的轨道参数。星历参数描述相应卫星的轨道的短段。基于这些星历参数，一种算法能够在卫星处于相应描述段期间的约2-4小时的任意时间估计卫星的位置和速率。星历数据还包括指示卫星时钟相对通用GPS时间的当前偏差的时钟修正参数。另外，每六秒将周时TOW计数作为导航消息的另一部分记录下来。
要确定位置的GPS接收机接收被当前可用卫星发射的信号，并且该接收机的跟踪装置根据所包含的不同的C/A码来检测并跟踪被不同卫星使用的信道。为了能够检测不同卫星使用的信道，接收机有权使用被每个卫星使用的C/A码的副本。因此，接收机能够在相关程序中比较该可用C/A码与所接收到的信号中的C/A码。
通过计算被跟踪信号的测量结果，接收机首先确定由每个卫星发射的测距码的发射时间。通常，所估计的发射时间包括两个分量。第一分量是从来自卫星信号的解码导航消息中提取的TOW计数，其具有六秒的精度。第二分量基于从比特位指示TOW被接收机的跟踪装置接收的时刻起计数信号出现时间和码片。信号出现时间和码片计数为接收机提供特定的接收到的比特位的毫秒和亚毫秒的发射时间。检测到的信号出现时间边缘还指示接收到的信号的编码相位。
基于发射时间和所测量的测距码在接收机处的到达时间TOA，该测距码所需要的从卫星传播到接收机的飞行时间TOF被确定。通过将这个TOF与光速相乘，它被转换为接收机与相应卫星之间的距离。因为通用GPS时间在接收机中并非精确已知，所以特定卫星和接收机之间的所计算的距离被称为伪距。通常，接收机基于某些初始估计来计算测距码到达的确切时间，并且初始时间估计越精确，位置和确切时间的计算越高效。参考GPS时间可以但并非必须被通信网络提供给接收机。
由于接收机位于一组卫星伪距的交集内，所计算的卫星的距离和所估计的位置随后容许计算接收机的当前位置。为了能够计算接收机的三维位置和接收机时钟中的时间偏移，要求来自至少4颗不同的GPS卫星的信号。
如果在接收机的一个信道上可用导航数据，则包含在接收到的信号中的发射时间的指示还可以被用在时间初始化中，用于修正由于内部接收机时钟通常被偏移而引起的接收机中的时钟误差。
目前，多数GPS接收机被设计用于具有来自卫星的好的信号电平的户外作业。
在例如室内的差的接收条件下，利用此类接收机跟踪信号更加不可信。一个问题是卫星之间的交叉相关效应。当寻找一个特定的卫星信号时，来自另一颗卫星的不希望的交叉相关信号常常被找到。由于卫星信号经历不同的衰减，在室内来自不同卫星的信号的信噪比在一个大范围内变化。这意味着来自一颗卫星的信号可能很强，而来自另一颗卫星的信号相当弱。同时，卫星信号的伪噪声特性在相关过程期间仅提供有限的选择性。在相关程序中，来自错误卫星和编码相位的信号仅仅被削弱大约20dB。因此，如果不同卫星信号的信噪比的差值高于这个削弱，则来自错误卫星的信号可能干扰一个给定信道。即，假如正确卫星信号具有低信号电平，则具有高信号电平的错误卫星信号可能在相关程序中被确定为期望的卫星信号。这使得正常的跟踪不可能。
在一种用于避免错误跟踪的现有方法中，只考虑那些在其信噪比中具有有限差异的卫星。然而，这一方法的缺点在于当只接收到来自几颗卫星的信号时接收机常常将无法计算位置，这是室内很可能出现的情况。
被用在飞机中的一种称之为RAIM(接收机自主完好性监测)的已知系统考察被跟踪的卫星的测量结果是否正确。但是，RAIM被设计用于良好信号条件中，而且其要求从至少5颗卫星中接收信号。

发明内容
本发明的一个目的是在弱信号发送条件下也能够实现充分数量的信标信号的可靠检测。
这个目的利用一种用于验证已检测的编码调制信号的方法达到，所述信号由定位系统的信标发射机发射并且由所述定位系统的接收机接收，该信标信号基于在针对特定信标发射机的相应给定编码和接收到的信标信号之间执行的相关程序而被检测。建议的方法在第一步骤中包括执行对检测到的信标信号的测量。随后至少一个检测到的信标信号被选为校准信号。基于针对检测到的校准信号的测量结果和接收机的一个可用参考位置，确定针对其它检测到的信标信号的测量结果的至少一个容许范围。那些对其执行的测量的结果超出这些测量的确定范围的信标信号的每次检测都被拒绝。应该注意对特定类型的测量所确定的范围还可能包括多个子范围。此外，一个确定的容许范围可能仅仅包括单个信号值。应该理解可以部分地改变建议步骤的顺序。
该目的还利用一种接收机、利用一种包括接收机的电子设备或利用一些其它设备达到，其中每一个都包括用于执行所建议方法的步骤的装置。假如该处理在接收机之外的另一个装置中被执行，则关于接收到的信号的所需要的信息被接收机转送到这个装置。建议的其它设备可以例如为网络的网络元件。该目的还利用一种包括接收机和设备的系统达到，在所述系统中接收机或设备包括用于执行所建议方法的步骤的装置。假如该接收机执行该处理，则所述设备可为接收机提供检验已检测到的信标信号所需要的辅助数据。
本发明源于这样一种思想，即可以被假定为已正确检测到的信标发射机的信号可以被用来验证其它信标信号的检测，即用于在相关程序之后考察已经获取的信标发射机是否被识别为正确的信标发射机。即使在差的信号发送条件下，这种能够被假定为已正确检测到的信标发射机通常能够毫无问题地被发现。对来自这个信标信号的信号的测量可被用来限制来自其它信标发射机的一次或多次测量。如果测量结果在特定范围之外，则相应的信标信号被认为是错误检测到的。应该理解所述测量可包括直接测量(包括从接收到的信号中提取数据)，以及根据这样的测量进行参数计算。
本发明的一个优点是其允许检测大部分的已接收到的信标信号，并且允许在所述已检测到的信标信号中确定大部分被错误检测到的信号。
从而本发明允许在差的传播条件下、以及当只有来自几颗具有大信噪比差异的卫星的信号可用时计算接收机的位置。因此，增加了定位能够被执行的可能性，并且由于对错误检测到的信号的拒绝使确定的位置更加准确。此外，影响定位精度的其它误差也被降低。
而且，本发明的一个优点是其易于实施。
从附加的权利要求中，本发明的优选实施例变得显而易见。
对于接收机的参考位置，粗略了解该接收机位置就已足够。例如假如该位置是最近计算的，则这一粗略了解可能是可用的。可替换地，该接收机可以为从另一个装置接收参考位置的指示的辅助接收机。例如，当前连接到该接收机的移动通信网络的一个基站的位置可以被用作参考位置。假如该处理在接收机外部的装置中被执行，则该参考位置要么在这个装置处可用要么被提供给这个装置。
其它可用的辅助数据同样可以被用来为某些测量确定范围。特别地，此类其它辅助数据可为轨道参数。
多种测量都适用于确定它们是否位于所确定的范围内。
优选地，根据本发明的方法至少被用来检验所确定的已检测到的信号的发射时间、或这个发射时间的子分量是否位于一个可接受的范围内。即，校验检测到的信号的编码相位。
适用于所述检验的另一种测量涉及源于多普勒效应的、在接收机处的已检测到的信号中的频移。为了检验，可以确定整个频率或所确定的频移是否位于一个可接受的范围内。
假如星历和时间信息可用，并且另外以3km的精度已知参考位置，则通过检验已检测到的信号的编码相位能够识别90％的错误交叉相关的卫星。如果除编码相位之外还检验多普勒频率，则甚至多于90％的错误交叉相关的卫星能够被识别。假如以30km的精度已知参考位置，则通过检验编码相位和多普勒频率仍能识别多于50％的错误交叉相关的卫星。
编码调制的信标信号可在跟踪过程中被检测，但同样可在任何其它类型的处理过程(例如瞬象(snapshot)数据处理)中被检测。此外，被用在本发明方法中的测量结果可源于跟踪过程或源于某些其它过程。
虽然并非必须，但优选地，根据本发明的方法被实现为软件。
虽然不排除其它情况，但特别地，信标发射机可以为卫星或网络基站。
虽然并非必须，但优选地，接收机为GPS接收机并且信标发射机为GPS空间飞行器。本发明将来还能够被用在例如具有新信号、特别是计划的新L2C(L2民用)信号和计划的新L5信号的扩展的GPS系统中，以及被用在其它类似的基于信标发射机的定位系统、例如Galileo中。L2C信号和L5信号在由Richard D.Fonata、Way Cheung以及TomStansell于2001年9月发表在GPS World中的文献“The Modernized L2Civil Signal”中给出。


从下面结合附图的详细描述，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。仅有的图(图1)是说明根据本发明的方法的一个实施例的流程图。
具体实施例方式
图1的流程图示例说明了根据本发明用于验证卫星信号的跟踪的方法的实施例。
本方法被实现为GPS定位系统的GPS接收机的处理装置中的软件算法。如前所述，GPS系统的多个卫星SV发射C/A编码调制信号。由卫星发射的信号被GPS接收机接收并且被该接收机的跟踪装置跟踪。GPS接收机还被集成在一个移动终端中，通过空中接口该移动终端能够与通信网络的基站通信。目前，GPS接收机位于室内。
GPS接收机的跟踪装置可以是能够基于相关程序来检测和跟踪所接收到的卫星信号的传统跟踪装置。在相关程序中，针对相应卫星的可用的编码与所接收到的信号相比较。导致最佳相关的信号被认为是源于相应卫星的。
另外，跟踪单元能够为每个被跟踪的卫星信号提供相应测距码的发射时间的子分量TMS。每个子分量TMS是发射时间在M秒之下的分量。假如跟踪装置能够在所接收到的信号上执行位同步，则该子分量为发射时间在20ms(M＝0.020)之下的分量，即在最后检测到的位边缘的发射时间和测距码的发射时间之间的差值。否则，测量根据针对所接收到的信号的码片计数，这导致在1ms(M＝0.001)之下的分量。在后一种情况下，该子分量对应于在最后检测到的信号出现时间边缘的发射时间和相应测距码的发射时间之间的差值。
由于GPS接收机目前位于室内，所以它检测并跟踪来自N+1颗具有明显不同信噪比的卫星的信号。
对于所建议的方法，还假定某些参数在GPS接收机处是可用的。
这些参数之一是GPS接收机的初始参考位置Pinit。初始参考位置可例如为一个基站的位置，包括GPS接收机的移动终端当前被连接到该基站。在这种情况下，初始参考位置Pinit可由这个基站传递到GPS接收机。初始参考位置具有同样已知的最大可能误差dPmax。
此外，假定移动通信网络的基站为GPS接收机提供辅助消息，该辅助消息包括那些被认为发射被跟踪信号的卫星的轨道参数。
最终，信号从卫星到GPS接收机的飞行时间TTOF的初始估计被设定为TTOF＝0.070ms。
所建议的方法操作如下。
第一步中，具有最强信号电平的被跟踪的卫星信号在接收机的处理装置中被确定。这个卫星信号被定义为校准信号。为了获得所包含的周时TOW计数，处理装置还解码从校准信号中提取的导航消息。TOW计数指示了测距码的发射时间TCTOT的主要分量。另外，由GPS接收机的跟踪装置执行的信号出现时间和码片计数提供发射时间TCTOT的毫秒和亚毫秒分量。此外，估计校准信号的飞行时间TCTOF。最终，例如在已确定的发射时间TCTOT处根据发射校准信号的卫星的轨道参数计算出发射校准信号的卫星的位置。轨道参数可以在接收机处可用或者也可以从所解码的导航消息中提取。因此可以根据所确定的卫星位置以及接收机的可用初始参考位置、通过把两个位置之间的距离除以光速来估计飞行时间TCTOF。
接下来，接收机的处理装置确定所有N个其它被跟踪信号的测距码的至少部分发射时间。如果第i个信号的导航消息能够被解码，则第i个信号的整个发射时间TTOT，i被获得。如果该导航消息不能被解码，则发射时间的至少一个子分量TMS，i能够被确定。即，如果实现位同步，则发射时间在20ms之下的分量T20ms被获得。否则，由跟踪装置计数的码片提供发射时间的子分量T1ms。变量i(i＝1到N)的值表示相应的被跟踪信号以及与这个信号相关联的值。
现在，N个其它被跟踪信号中的每一个被GPS接收机的处理装置在一个校准环中逐个检验。在该校准环中，变量i最初被设定为1，并且每次循环增加1。
可用的初始参考位置Pinit以及所确定的校准信号的发射时间TCTOT被用于估计第i个信号的飞行时间TTOF，i。例如，首先第i颗卫星在校准信号的发射时间TCTOT处的位置可以根据轨道参数进行估计，对于那些被假定用于发射第i个信号的卫星，所述轨道参数是在接收机处可用的。然后，通过把所估计的卫星位置和可用的初始位置Pinit之间的距离除以光速来估计第i个信号的飞行时间TTOF，i。对其计算卫星位置的时间误差(即，校准信号的发射时间TCTOT和第i个信号的发射时间之间的差值)大约为40ms，它对飞行时间的影响可忽略不计。
从所确定的飞行时间TTOF，i出发，第i个信号的发射时间的至少一个子分量被预测。对于这个预测，处理装置在两种情况之间加以区分。
假如找到了第i个信号的发射时间TTOT，i，则发射时间被预测为TTOT，i，pred＝TCTOT+TCTOF-TTOF，i-Corrections假如没有找到第i个信号的整个发射时间TTOT，i，而仅仅找到了这个发射时间TTOT，i的一个子分量TMs，i，则相应的子分量被预测为
TMs，i，pred＝mod(TCTOT+TCTOF-TTOF，i-Corrections，M)公式的右端构成TCTOT-TCTOF-TTOF，i除以M的余数，其中项TCTOT-TCTOF-TTOF，i可由已知修正值“ Corrections”来修正。如上述说明，M可以为0.020或0.001。公式中可以但并非必须包括值“Corrections”。它可包括例如电离层修正、对流层修正、群时延修正、卫星时钟修正以及相对论性修正。
从初始位置Pinit的已知误差dPmax，所预测的发射时间可能发生的最大误差TTOTmaxerror被估计为TTOT max error＝2*dPmax/c，其中c为光速。
随后将实际预测误差与这个最大预测误差相比较。
假如找到了第i个信号的传输时间TTOT，i，则根据下面的公式比较实际预测误差与最大预测误差TTOTmaxerrorabs(TTOT，i，pred-TTOT，i)＜TTOT max error因此，确定了第i个信号的所确定的发射时间TTOT，i是否位于可接受范围内(TTOT，i，pred-TTOT max error，TTOT，i，pred+TTOT max error)假如仅仅确定了第i个信号的发射时间TTOT，i的一个子分量TMs，i，则根据下面的公式比较实际预测误差与最大预测误差TTOTmaxerrorabs(TMs，i，pred-TMs，i)＜TTOT max error如果相应的公式不成立，则由于可以假定跟踪是错误的，因此第i个信号的跟踪被拒绝。第i个信号可以为例如错误卫星的强信号，其与正确卫星的弱信号相比能与给定编码更好地相关。
如果相应的公式正确，则第i个信号的跟踪不被拒绝。但是，在其被明确接收之前，一个附加的检验被执行。
在附加检验中，每个在首次检验中没有被拒绝的卫星的多普勒频率范围被校验。
为此目的，接收机测量第i个信号的频移fmeasurement，i。根据相应卫星相对GPS接收机的速度，由于多普勒效应，所测量的频率将相对零偏离频移fmeasurement，i。
考虑到卫星相对GPS接收机的运动，可用的轨道参数被用于为被认为发出第i个信号的卫星确定一个范围(fDmin，fDmax)，所测定的频移应当位于该范围中。为了估计可用轨道参数，校准信号的发射时间TCTOT可再次被用作参考时间。范围还应当考虑最大接收机速度。由于局部时钟的不准确度，频率通常将进一步偏离。由于接收机通常将这个不准确度估计为Δfclock，所以可能的整体频移可被估计为(fmin，fmax)＝(fDmin+fclock-Δfclock，fDmax+fclock+Δfclock)因此只有当所确定的频移fmeasured，i也位于为所发射的第i个信号的卫星所确定的范围(fmin，fmax)中时，第i个信号的跟踪才被验证。否则，第i个信号的跟踪也被拒绝。
当跟踪被拒绝或验证时，校准环继续进行到下一个被跟踪的信号(i＝i+1)，直到除校准信号之外的所有N个被跟踪信号都被校验。
相关程序和所述方法可对那些跟踪被拒绝的给定编码重复进行。
应该注意到所述实施例仅构成本发明多种可能实施例中的一种。
权利要求
1.一种用于验证由定位系统的信标发射机发射并由所述定位系统的接收机接收的被检测到的编码调制信号的方法，该信标信号基于在特定的信标的相应给定编码和接收到的信标信号之间执行的相关程序而被检测，所述方法包括—对所述检测到的信标信号执行测量；—选择至少一个所述检测到的信标信号作为校准信号；—基于所述检测到的校准信号的测量，并基于所述接收机的可用参考位置为除了所述校准信号之外的检测到的信标信号的测量结果确定至少一个容许范围；以及—拒绝那些对其执行的测量的结果超出所确定的该测量的容许范围的信标信号的每次检测。
2.根据权利要求1的方法，其中至少选择具有最强信号电平的检测到的信标信号作为校准信号。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述范围还根据可用于所述信标发射机的轨道参数进行确定。
4.根据前述权利要求之一的方法，其中对其确定范围的所述测量包括至少对检测到的信标信号的编码相位的测量。
5.根据权利要求4的方法，其中所述编码相位至少根据相应检测到的信标信号的发送时间信息而被确定，该信息作为数据被包含在所述信标信号中。
6.根据权利要求4或5的方法，其中所述编码相位至少根据相应已检测到的信标信号的发送时间的一个子分量而被确定，该子分量是通过检测所述接收到的信标信号中的规律性而得到的。
7.根据权利要求4到6之一的方法，其中通过根据所述校准信号的编码相位、所述接收机的可用参考位置以及可用轨道参数来预测一个编码相位，并且通过在所述预测中增加和减去可能的误差来确定所述编码相位的范围。
8.根据前述权利要求之一的方法，其中对其确定范围的所述测量包括以下的测量，其指示由于在相应信标发射机和所述接收机之间的相对速度而在接收到的信标信号中产生的频移。
9.根据前述权利要求之一的方法，其中所述检测到的信标信号在跟踪过程中被检测。
10.一种接收机，其包括—用于接收和检测由定位系统的信标发射机发射的编码调制信号的接收装置；以及—用于执行根据前述权利要求之一的方法的处理装置。
11.根据权利要求10的接收机，该接收机为GPS(全球定位系统)接收机或伽利略接收机。
12.一种电子设备，其包括根据权利要求10或11的接收机。
13.根据权利要求12的电子设备，其中所述电子设备为一个能够连接到网络的移动终端。
14.一种设备，其包括—用于从接收机接收关于编码调制信号的信息的装置，其中所述编码调制信号由定位系统的信标发射机发射并由所述接收机接收和检测；以及—用于执行根据权利要求1到9之一的方法的处理装置。
15.根据权利要求14的设备，该设备为网络中的网络元件。
16.一种定位系统，其包括—接收机，包括用于接收由信标发射机发射的编码调制信号的装置、并包括用于提供关于接收到的编码调制信号的信息的装置；以及—根据权利要求14或15的设备。
17.一种定位系统，其包括—根据权利要求10或11的接收机；以及—用于为所述接收机提供辅助数据的设备。
18.根据权利要求17的定位系统，其中所述设备为网络中的网络元件。
全文摘要
本发明涉及用于验证由定位系统的信标发射机发射并由接收机接收的被检测到的编码调制信号的方法。为了实现这一验证，建议该方法包括把针对已检测到的信标信号执行测量作为第一步。随后，至少一个已检测到的信标信号被选为校准信号。下一步中，基于已检测到的校准信号的测量和接收机的可用参考位置为所述校准信号以外的已检测到的信标信号的测量结果确定至少一个容许范围。最终，那些对其执行的测量的结果超出容许范围的信标信号的每次检测都被拒绝。本发明同样涉及一种对应的接收机、一种包括这样的接收机的电子设备、一种与这样的接收机协同操作的设备，以及一种对应的定位系统。
文档编号G01S1/00GK1695070SQ02829805
公开日2005年11月9日 申请日期2002年10月24日 优先权日2002年10月24日
发明者D·阿科皮安, H·瓦利奥, S·皮蒂莱, J·叙尔亚林内 申请人:诺基亚有限公司