專利名稱：用于測(cè)定運(yùn)動(dòng)體方向的接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精確與快速測(cè)定空間運(yùn)動(dòng)體的方向。
通常，航海需要對(duì)一艘船所沿其行駛的航向有某種了解，看它是在航行、機(jī)動(dòng)還是已經(jīng)停泊。航向信息是與該船縱軸在水平面內(nèi)的取向有關(guān)的信息。本發(fā)明將結(jié)合一艘船或一架飛機(jī)的航向測(cè)定加以簡(jiǎn)單描述，但它也可以應(yīng)用于與運(yùn)動(dòng)體的取向有關(guān)的其他信息，包括該水平面之外的信息側(cè)搖與縱仰姿態(tài)信息是航海與航空等中的另一部分重要信息，盡管通常它需要的精度比航向信息低。與一部地面車輛的航向或取向有關(guān)的信息也很重要。還可以設(shè)想其他的示例應(yīng)用，譬如關(guān)于一部吊車、一件武器、一位步行者等等的取向信息。
傳統(tǒng)上，航向測(cè)量是借助于一個(gè)磁羅盤儀、一個(gè)陀螺羅盤或一個(gè)慣性單元來實(shí)現(xiàn)。
由于地理北極與地磁北極的偏差以及在該羅盤周圍的干擾磁質(zhì)，磁羅盤儀需要進(jìn)行校正。
由電力支承的陀螺羅盤對(duì)磁力變化不敏感，在船舶中被廣泛采用。但是，安裝的困難、在高緯度下精度下降、機(jī)械維護(hù)以及要求高精度時(shí)所需的費(fèi)用是相當(dāng)大的障礙。
慣性單元能提供高質(zhì)量的測(cè)量，但費(fèi)用昂貴，而且必須借助于其他測(cè)量手段來定期重新標(biāo)定。
對(duì)方向測(cè)定問題，可以設(shè)想使用由衛(wèi)星測(cè)定位置的裝置，譬如采用GPS(全球定位系統(tǒng))系統(tǒng)或者特別是GLONASS系統(tǒng)的定位衛(wèi)星所發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)。
利用幾個(gè)位于該運(yùn)動(dòng)體(船舶、飛機(jī)等等)上不同位置的天線，并通過差分測(cè)量來測(cè)定這些天線的相對(duì)位置，就能夠借助航向、側(cè)搖與縱仰來計(jì)算姿態(tài)。在良好接收條件下獲得的精度對(duì)航向可以是3毫弧度，對(duì)側(cè)搖或縱仰可以是6至8毫弧度，它們是這些天線之間距離的函數(shù)。
所以人們已經(jīng)提出了根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)接收器來探測(cè)姿態(tài)的裝置，它包括幾個(gè)連接到信號(hào)接收與數(shù)字處理電路的接收天線(每個(gè)天線一個(gè)接收器)，每個(gè)電路都能測(cè)定相應(yīng)天線與該天線視線上各顆衛(wèi)星之間的偽距離。如果一顆衛(wèi)星到兩個(gè)相應(yīng)天線的距離不同，那么相應(yīng)于該同一顆衛(wèi)星、但由兩個(gè)不同接收電路測(cè)定的偽距離也不同。一個(gè)計(jì)算處理器接收來源于每個(gè)接收器的偽距離測(cè)量值并確定它們的差，該計(jì)算處理器還控制這些接收器的運(yùn)行；根據(jù)對(duì)該測(cè)量時(shí)刻這些衛(wèi)星位置的知識(shí)以及對(duì)這些天線之間的固定距離的知識(shí)，該處理器通過常規(guī)的三角計(jì)算方法由這些差值推算連接這些天線的向量的方向。
然而，這些系統(tǒng)比較昂貴。所以需要那些能夠完成同樣功能、但不太昂貴的系統(tǒng)，即便這將部分地有損于某些性能方面也行。
導(dǎo)致高成本的原因之一是所需的信號(hào)接收與處理電路的復(fù)雜性對(duì)每個(gè)接收器都必須提供用來接收與用來模擬處理從這些衛(wèi)星接收到的射頻信號(hào)的一個(gè)電路，并提供幾個(gè)數(shù)字處理通道，每個(gè)通道分別對(duì)應(yīng)一顆衛(wèi)星(譬如每個(gè)接收器有10個(gè)通道，甚至16個(gè)通道)；而且每個(gè)處理通道包括復(fù)雜的、高頻運(yùn)行的數(shù)字電路，這些電路中帶有用于相關(guān)性計(jì)算與用于偽隨機(jī)代碼跟蹤(slaving)的回路，以及用于相關(guān)性計(jì)算以及用于跟蹤該衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率相位的回路。
即使對(duì)只采用兩個(gè)接收天線的簡(jiǎn)單航向測(cè)定，整個(gè)姿態(tài)測(cè)定單元也可能變得非常昂貴。本發(fā)明的一個(gè)目的是一方面使所需電路減至最少，另一方面通過重復(fù)使用與現(xiàn)有定位接收器中完全相同的模擬與數(shù)字處理電路來提供一個(gè)安裝簡(jiǎn)單且并不昂貴的設(shè)備；所以，需要修改的僅僅是數(shù)值計(jì)算軟件，而不是那些用來制造測(cè)定偽距離的模擬與數(shù)字處理電路的集成電路芯片。
這就是能根據(jù)本發(fā)明來提供一個(gè)用于測(cè)定運(yùn)動(dòng)體方向的設(shè)備的理由，該設(shè)備包括至少兩個(gè)用于接收基于衛(wèi)星的定位信號(hào)的天線；一個(gè)用于接收與用于處理這些天線所接收到的無(wú)線電信號(hào)的共用電路；一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路；N個(gè)數(shù)字處理通道，每一個(gè)通道都包括一個(gè)用于相關(guān)性計(jì)算以及用于跟蹤本地周期偽隨機(jī)代碼位置及本地載波相位的電路，這些通道的每一個(gè)都提供從各自的一顆衛(wèi)星接收到的信號(hào)與該本地代碼之間的相關(guān)性測(cè)量值，以便使該本地代碼與該本地載波能跟蹤所接收到的信號(hào)；而且該設(shè)備還包括一個(gè)用于接收從這些通道發(fā)出的數(shù)字相關(guān)性測(cè)量值以及用于控制該跟蹤電路的計(jì)算裝置，這一設(shè)備的特征為-這些天線被安裝在一個(gè)公用外殼內(nèi)，該外殼包括切換裝置以便將該第一天線發(fā)出的信號(hào)與該第二天線發(fā)出的信號(hào)交替引導(dǎo)至用于接收與用于處理該無(wú)線電信號(hào)的電路，該切換裝置的動(dòng)作周期最好是該偽隨機(jī)代碼周期的倍數(shù)，-該公用外殼通過一根單獨(dú)的同軸電纜被連接到用于接收與處理這些無(wú)線電信號(hào)的共用電路，該電纜同時(shí)傳輸這些無(wú)線電信號(hào)、一個(gè)天線供電電壓以及控制用來切換該天線的切換裝置的一個(gè)周期提示，-用于接收與處理無(wú)線電信號(hào)的電路，它包括一個(gè)用于跟蹤每個(gè)通道代碼的數(shù)字信號(hào)計(jì)算裝置；這一裝置最好根據(jù)這兩個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)來動(dòng)作而與這些天線的切換無(wú)關(guān)，-該接收與處理電路還包括一個(gè)用于跟蹤每個(gè)通道載波的一個(gè)數(shù)字信號(hào)計(jì)算裝置，這一裝置只根據(jù)從該第一天線接收到的信號(hào)動(dòng)作，-該接收與處理電路還包括一個(gè)為每個(gè)通道計(jì)算該第一天線上接收到的載波與該第二天線上接收到的載波之間相位差的裝置，這一裝置一方面根據(jù)從該第一天線接收到的信號(hào)動(dòng)作，另一方面根據(jù)從該第二天線接收到的信號(hào)動(dòng)作，而該跟蹤電路仍由根據(jù)該第一天線發(fā)出的信號(hào)計(jì)算所得的載波跟蹤信號(hào)來控制。
本發(fā)明的原理實(shí)際上包括在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的倍數(shù)的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)接收從該第一天線發(fā)出的一個(gè)信號(hào)，在這個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)計(jì)算可以構(gòu)成載波相位跟蹤命令的第一數(shù)值，并實(shí)際利用這個(gè)命令來作為載波相位跟蹤信號(hào)，然后在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的倍數(shù)的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)接收從該第二天線發(fā)出的一個(gè)信號(hào)，而且在這個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)利用與該第一數(shù)值計(jì)算相同的方式來計(jì)算可以構(gòu)成能用于該第二天線載波相位跟蹤的跟蹤命令的第二數(shù)值，但是仍然利用該第一數(shù)值來確定該載波相位跟蹤信號(hào)，以及利用該第一與第二數(shù)值的組合來計(jì)算該方向。
實(shí)際上，該計(jì)算包括在接收來自該第一天線的信號(hào)期間確定第一數(shù)值IpA與QpA，它們分別代表在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的時(shí)間段結(jié)束時(shí)的同相與90°相差相關(guān)性結(jié)果，以及在接收來自該第二天線的信號(hào)期間確定相應(yīng)的第二數(shù)值IpB與QpB；計(jì)算數(shù)值arctan(QpA/IpA)并在無(wú)論使用哪個(gè)天線時(shí)都利用它作為載波相位跟蹤命令；以及按照2π的定義來計(jì)算數(shù)值反正切atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表這兩個(gè)天線從同一顆衛(wèi)星所接收到的信號(hào)之間的相位差，這一相位差將被用來計(jì)算連接這兩個(gè)天線的向量的方向。在相位差達(dá)到2π時(shí)，要重構(gòu)相位差曲線的連續(xù)性來避免跳變。
該天線切換電路最好包括一個(gè)用來將DC電壓的兩個(gè)電平交替施加到該同軸電纜(它將該外殼連接到該接收與處理電路)輸出的裝置，而該DC電壓則是疊加在沿這個(gè)電纜(從該天線至該接收器)傳輸?shù)臒o(wú)線電信號(hào)之上；一個(gè)用于探測(cè)這個(gè)電纜或這個(gè)鏈接輸入處電壓電平的電壓電平探測(cè)器；一個(gè)由該電平探測(cè)器控制的開關(guān)，該開關(guān)根據(jù)探測(cè)到的電壓電平將(由該電纜上的DC電壓發(fā)出的)供電電壓引導(dǎo)至連接到該第一天線的第一天線信號(hào)放大器或者引導(dǎo)至連接到該第二天線的第二天線信號(hào)放大器，這兩個(gè)放大器的輸出被連接到該同軸電纜的輸入端以便在該電纜上根據(jù)施加到該電纜輸出端的DC電壓電平來傳輸從該第一天線發(fā)出的信號(hào)或者從該第二天線發(fā)出的信號(hào)。
當(dāng)這些天線被遠(yuǎn)程安置得距該接收器有一定距離時(shí)，這一結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)期望的切換而不需要在該信號(hào)接收器與這些天線之間進(jìn)行特殊的供電或切換連接。只通過一根單獨(dú)的同軸電纜來就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些天線與(位于該天線附近的)對(duì)它們的放大器的DC供電以及實(shí)現(xiàn)該切換命令，該同軸電纜另一個(gè)方向上則被用來將這些天線信號(hào)送回該接收器。
從這兩個(gè)天線發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)由一個(gè)可以與現(xiàn)有技術(shù)中完全相同的頻率變換電路進(jìn)行模擬處理，本發(fā)明的原理并不需要設(shè)計(jì)一個(gè)不同的電路。然后這些信號(hào)按照與現(xiàn)有技術(shù)相同的方法被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。最后，它們進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理通道，這些通道的硬件設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)相比也沒有變化。這些數(shù)字信號(hào)處理通道將數(shù)值傳送到管理這些通道的計(jì)算裝置，并接收來自這一計(jì)算裝置的數(shù)值。這一計(jì)算裝置所用的運(yùn)行軟件與現(xiàn)有技術(shù)不同，但改進(jìn)該軟件的成本將大大低于設(shè)計(jì)與改進(jìn)復(fù)雜集成電路芯片的成本。
所以，符合本發(fā)明的測(cè)定姿態(tài)的設(shè)備就能夠按照特別經(jīng)濟(jì)的方法來制造。
閱讀下面參考所附例圖給出的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其他特征與優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯而易見。這些例圖為-

圖1代表測(cè)量運(yùn)動(dòng)體方向的一套裝備的一幅總體視圖；-圖2代表與這些天線連接的接收器的總體電路圖；-圖3代表該天線切換電路；-圖4代表該接收器的一個(gè)數(shù)字處理通道的通用體系結(jié)構(gòu)。
圖1代表準(zhǔn)備安裝在(譬如說)船上用于檢測(cè)該船航向的方向探測(cè)裝備的通用結(jié)構(gòu)。
在所述的示例中，該裝置包括兩個(gè)用于接收衛(wèi)星定位信號(hào)的天線，為了測(cè)量航向并附帶測(cè)量側(cè)搖與縱仰，一個(gè)天線試圖測(cè)量連接這些天線的中心的向量的方向，而不考慮該空間運(yùn)動(dòng)體的其他方向。但本發(fā)明也適用于3個(gè)不成一行排列的天線的情況，這樣可以全面測(cè)定沿3根軸的方向。
兩個(gè)天線10與12被安裝在一個(gè)帶有塑料罩或天線屏蔽器的公用外殼14中；這個(gè)外殼由一個(gè)公用支柱15支承，而且天線的中心A與B相隔一個(gè)已知距離D。該支柱(如果沒有支柱則指該外殼)要被固定在該船之上，支柱上標(biāo)有向量AB相對(duì)于該船總體軸線的方向基準(zhǔn)標(biāo)記，這樣，就可以從這一向量的方向來推導(dǎo)該船舶的航向。
舉例來說，天線中心之間的距離可以為幾十厘米。
用來保護(hù)這些天線的外殼還可以容納模擬電子電路(譬如前置放大器)，正如以后將會(huì)看到的那樣，它還可以容納一個(gè)天線切換控制電路。
用通用參考數(shù)碼16表示的衛(wèi)星定位信號(hào)接收器包括一個(gè)無(wú)線電信號(hào)接收電路、一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及可以測(cè)量偽距離的若干數(shù)字處理電路。它的安裝位置最好遠(yuǎn)離該天線以及支柱；譬如說，可以將它安裝在該船的內(nèi)部，而將天線支柱安裝在船外。它只用一根單獨(dú)的同軸電纜17(由它的屏蔽層包圍的單根導(dǎo)線)連接到該天線支柱。
最后，一個(gè)用于計(jì)算并用于控制該接收器的裝置18(它這實(shí)際上是一臺(tái)帶有存儲(chǔ)器并帶有運(yùn)行程序的微計(jì)算機(jī))由數(shù)字鏈接連接到該接收器。該計(jì)算裝置被連接到多種適合各種應(yīng)用場(chǎng)合的外圍設(shè)施，如顯示器20、鍵盤22、數(shù)據(jù)或程序閱讀機(jī)/記錄器24、向用戶進(jìn)行有線或無(wú)線傳輸?shù)难b置、或者連接到傳輸該計(jì)算結(jié)果的線路的簡(jiǎn)單輸出接口。在一個(gè)“羅盤”型系統(tǒng)中，功能16、18、20、22、24被組合在一個(gè)單獨(dú)的裝置之中。
圖2非常詳細(xì)地表示了接收器16的通用結(jié)構(gòu)體系，它的一端被連接到天線10與12，另一端被連接到計(jì)算裝置18。
一個(gè)切換電路30使它可以向接收器16既傳輸天線10從這些衛(wèi)星接收到的信號(hào)，也傳輸天線12接收到的信號(hào)。在所述示例中，該切換作用是周期性的，該周期是對(duì)衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制所用的偽隨機(jī)代碼的發(fā)送周期的倍數(shù)。大家知道，對(duì)GPS與GLONASS系統(tǒng)的定位衛(wèi)星的C/A代碼而言，這個(gè)周期是1毫秒。對(duì)這些系統(tǒng)的其他代碼或者對(duì)其他系統(tǒng)，周期可能不同。實(shí)際上，最好每2毫秒進(jìn)行一次切換操作，所以該接收器就能夠交替地從天線10接收信號(hào)2ms，然后在隨后的2ms中從天線12接收信號(hào)，如此一直進(jìn)行下去。該多路傳輸控制使得該切換時(shí)間與2毫秒的持續(xù)時(shí)間相比可以忽略。
由于天線離接收器很遠(yuǎn)，而且還必須補(bǔ)償將這些天線連接到該接收器的同軸電纜17上可能發(fā)生的線路損失，所以切換電路30還能適應(yīng)對(duì)由這些天線接收到的信號(hào)的前置放大功能。
接收器16在其輸入端包括一個(gè)電路34來接收這些天線所收到的無(wú)線電信號(hào)。這個(gè)電路34執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換操作，使由這些傳輸衛(wèi)星進(jìn)行相位調(diào)制的載波無(wú)線電頻率降為一個(gè)較低的頻率。通常，要準(zhǔn)備將GPS系統(tǒng)的1575.42MHz的載波頻率降低到175.42MHz，但是也可以設(shè)想其他的可能性?？紤]到隨后的模/數(shù)轉(zhuǎn)換操作，該無(wú)線電接收電路最好包括一個(gè)自動(dòng)增益控制電路，以使它能夠優(yōu)化其輸出端發(fā)送的信號(hào)電平。
該頻率轉(zhuǎn)換與該模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要一些操作來產(chǎn)生穩(wěn)定的、眾所周知的、而且還可用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信號(hào)處理的本振頻率。為易于理解，圖2中畫了一個(gè)與無(wú)線電接收電路34分離的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路36。這個(gè)電路包括至少一個(gè)由石英加以穩(wěn)定的時(shí)基，舉例來說，它發(fā)送一個(gè)20MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率；它也包括頻率相乘與相除的電路，除了頻率轉(zhuǎn)換(通常從一個(gè)1400MHz的頻率轉(zhuǎn)換為1575.42MHz至175.42MHz)所需的本振頻率之外，這些乘除電路還發(fā)送該接收器作為整體運(yùn)行所需的各種時(shí)鐘頻率。在所述的示例中，為了驅(qū)動(dòng)該模/數(shù)轉(zhuǎn)換可能需要一個(gè)100MHz的采樣頻率，為了使該相位調(diào)制下降到位于175.42MHz的基帶可能需要一個(gè)25MHz的頻率，而且在該數(shù)字信號(hào)處理電路內(nèi)部還可能需要更低的100kHz、2kHz與1kHz的頻率。實(shí)際上，對(duì)20MHz以上的高頻，該頻率綜合可以在該無(wú)線電接收電路中進(jìn)行，對(duì)較低頻率(100MHz以下)則可以在該數(shù)字處理電路中進(jìn)行。
時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路36控制外殼14中的切換電路30，以便以1毫秒(來自這些衛(wèi)星的信號(hào)中的偽隨機(jī)代碼周期)的倍數(shù)作為一個(gè)周期對(duì)來源于這兩個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行多路傳輸。在圖2中，用一個(gè)箭頭表示這一命令。但是應(yīng)當(dāng)明白，該多路傳輸控制信號(hào)沿該單根同軸電纜17傳播。
這里不詳細(xì)描述無(wú)線電信號(hào)接收電路34，因?yàn)樗梢园凑粘Ｒ?guī)方法來構(gòu)造。
由電路34加以處理的信號(hào)經(jīng)一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器38進(jìn)行轉(zhuǎn)換，舉例來說，該轉(zhuǎn)換器運(yùn)行于100MHz的頻率，而且在這一情況下執(zhí)行該信號(hào)的、處于中間頻率175.42MHz的一個(gè)二次采樣。在所述示例中，該轉(zhuǎn)換是在兩個(gè)位上的基本轉(zhuǎn)換，即一個(gè)符號(hào)位與一個(gè)振幅位。該轉(zhuǎn)換結(jié)果最好被送回該無(wú)線電接收電路來滿足使該轉(zhuǎn)換器以最優(yōu)方式運(yùn)行的自動(dòng)增益控制的需要。
但是，模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果主要被傳輸?shù)侥艽_定那些可以測(cè)定這些衛(wèi)星與這些天線之間偽距離的數(shù)字測(cè)量值的數(shù)字信號(hào)處理電路。這個(gè)電路實(shí)際包括N個(gè)平行通道CH1、CH2、......，每個(gè)通道處理從指定衛(wèi)星接收到的信號(hào)。通道的數(shù)量通常在8至16之間。
可以回想一下，在GPS系統(tǒng)中每顆衛(wèi)星發(fā)射一種載波頻率(L1)，它一方面在相位跳變(0，π)上由該衛(wèi)星特有的偽隨機(jī)代碼調(diào)制，該代碼的位周期(“chip”)為1微秒，而它的總長(zhǎng)度為1毫秒，另一方面又由一個(gè)更低頻率(50Hz)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制。每個(gè)數(shù)字處理通道產(chǎn)生一個(gè)本地載波頻率與一個(gè)本地偽隨機(jī)代碼，而且包括多個(gè)使該本地代碼與該本地載波能跟蹤從相應(yīng)于這一通道的某顆衛(wèi)星接收到的代碼與載波的電路。
計(jì)算裝置18接收從這些通道發(fā)出的數(shù)字測(cè)量值，控制它們的運(yùn)行(特別是跟蹤電路的運(yùn)行)，而且一方面計(jì)算該接收器的位置，另一方面計(jì)算向量AB的方向，它們是各通道內(nèi)該代碼位置與該載波相位的一個(gè)函數(shù)。
圖3表示原創(chuàng)的切換電路30，它可以周期地、交替地先將天線10的信號(hào)施加到無(wú)線電接收電路34的輸入，然后施加天線12的信號(hào)。天線10將被稱為主天線。天線12將被稱為副天線。對(duì)來自該主天線的信號(hào)的使用方法與對(duì)來自該副天線的信號(hào)的使用方法不同。如果多于兩個(gè)天線，就會(huì)有一個(gè)主天線與幾個(gè)副天線，而且該切換電路將執(zhí)行循環(huán)排列以便將來自所有天線的信號(hào)順序施加到該接收器。
每個(gè)天線的信號(hào)施加持續(xù)時(shí)間是該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間(1ms)的倍數(shù)。該持續(xù)時(shí)間最好為2毫秒?？梢钥紤]對(duì)該主天線與該副天線采用不同的持續(xù)時(shí)間，對(duì)該主天線可以分配一個(gè)較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間(譬如3或4ms)以便支持它的衛(wèi)星信號(hào)獲取與跟蹤功能。
切換電路30按照如下原理動(dòng)作在外殼14中將主天線10與副天線12中的每一個(gè)連接到各自的前置放大器PRa與PRb。對(duì)這些前置放大器中的一個(gè)供電，但不同時(shí)對(duì)兩者供電。未供電的那個(gè)放大器不傳輸與它連接的天線所發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)。供電的放大器對(duì)來自相應(yīng)天線的信號(hào)起前置放大器的作用。這些前置放大器的輸出被鏈接成能夠發(fā)送該前置放大信號(hào)的單獨(dú)輸出，而不管它來自哪個(gè)天線。
而且，這些前置放大器的供電來源于施加到將這些天線連接到該接收器的同軸電纜17的芯線上的DC電壓，這個(gè)DC電壓被疊加到沿該同軸電纜傳播的無(wú)線電信號(hào)之上。該DC電壓在接收器16內(nèi)部生成，并經(jīng)由它的輸出，就是說經(jīng)由它連接到接收器16的一側(cè)被連接到該同軸電纜；所以在外殼14內(nèi)部不需要電源，也不需要用于對(duì)這些前置放大器供電的特殊連接。同軸電纜17在下行鏈路方向上將來自這些天線的無(wú)線電信號(hào)送到該接收器，同時(shí)在上行鏈路方向上將來自該接收器的電能送到這些天線。
最后，由該接收器施加的DC電壓有兩種可能的電平V1與V2，它們可由在外殼14內(nèi)的天線附近安裝的、基于閾值的比較器加以探測(cè)，而且該基于閾值的比較器根據(jù)所探測(cè)到的電平來控制其中一個(gè)前置放大器的供電。
所以，采用能將來自這兩個(gè)天線的信號(hào)傳輸?shù)皆摻邮掌鞯膯胃S電纜17，就能夠從接收器16遠(yuǎn)程對(duì)這兩個(gè)天線進(jìn)行供電與切換。前置放大器只牽涉很低的功率，所以相對(duì)于切換周期而言，其切換操作極為迅速。如果有3個(gè)天線，那么很明顯，必須對(duì)該同軸電纜的芯線施加3個(gè)電平，而且該比較器必須被替換成一個(gè)電壓電平探測(cè)器或者被替換成能區(qū)分這3個(gè)電平的基于雙重閾值的比較器。
圖3表示一個(gè)能適用于這一切換原理的電路圖。該接收器向同軸電纜17的芯線的輸出端40施加的電壓電平可以在一個(gè)開關(guān)的控制下取值V1或V2(譬如說分別為3伏與9伏)，該開關(guān)則受每2毫秒就改變狀態(tài)的時(shí)鐘信號(hào)控制?？梢栽谠撻_關(guān)與該同軸電纜芯線之間插入一個(gè)低值的電感來防止無(wú)線電信號(hào)傳輸?shù)教峁┰撾娖絍1與V2的電壓源。
屏蔽該同軸電纜的套管在該接收器一側(cè)以及在該切換電路一側(cè)接地。
該同軸電纜芯線的輸出端40通過一個(gè)鏈接電容器被連接到無(wú)線電電路34，所以該DC電壓V1或V2不干擾電路34的運(yùn)行。
電纜17的輸入端42通過一個(gè)解耦電容器被連接到放大器AMP的輸出端。該放大器AMP(可選部件)放大來自天線10的信號(hào)，也放大來自天線12的信號(hào)，這與只被分配給各自天線的前置放大器PRa與PRb不同。
電纜的一端42也最好通過一個(gè)能允許該DC電壓通過、但能阻檔該無(wú)線電信號(hào)的電感器連接到電壓調(diào)節(jié)器REG的輸入，該電壓調(diào)節(jié)器不管它接收V1還是V2，都在它的輸出端送出一個(gè)固定電壓V0(譬如說5伏)。電壓V0被用來為前置放大器PRa與PRb供電，而且也為放大器AMP供電。
施加到該調(diào)節(jié)器PEG輸入端的電壓V1或V2也被施加到電平探測(cè)器COMP的輸入端，該電平探測(cè)器根據(jù)輸入電壓是V1還是V2來送出一個(gè)高或低邏輯信號(hào)。這個(gè)電平探測(cè)器可以是一個(gè)能將接收到的電壓與閾值(可以為(V1+V2)/2)進(jìn)行比較的、基于閾值的簡(jiǎn)單比較器。
電平探測(cè)器COMP的輸出控制一個(gè)能將電壓V0作為電源施加到前置放大器PRa或者PRb的開關(guān)K。而且還可以提供一些電感器來防止經(jīng)由該電源供電通路造成的、任何不希望的無(wú)線電信號(hào)再次注入。
前置放大器PRa與PRb的輸出通過解耦電容器進(jìn)行連接，而且都被連接到放大器AMP的輸入端。
所以，在主天線10發(fā)出的信號(hào)通過前置放大器PRa與放大器AMP時(shí)，不對(duì)前置放大器PRb供電，而且這些信號(hào)被施加到同軸電纜2毫秒；然后，在隨后的2毫秒內(nèi)，副天線12發(fā)出的信號(hào)通過前置放大器PRb與放大器AMP到達(dá)同軸電纜，而前置放大器PRa則不供電。
由于這些天線的切換就是交替為一個(gè)前置放大器供電，而將另一個(gè)供電切斷，所以就可能將該接收器與該天線支柱的鏈接減少為一根單獨(dú)的同軸電纜。這樣切斷電源就能保證高于60dB的天線信號(hào)的電氣分離(隔離)，而不需要添加任何額外的部件，譬如不需要添加PIN二極管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
從同軸電纜17發(fā)出的信號(hào)經(jīng)由電路34(圖2)處理，主要是執(zhí)行頻率轉(zhuǎn)換、帶通濾波與自動(dòng)增益控制。然后，這些信號(hào)被轉(zhuǎn)換器38轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字化后的采樣(譬如說在兩個(gè)位上進(jìn)行數(shù)字化，其中一位是100MHz頻率的符號(hào)位)被平行施加到所有數(shù)字處理通道CH1、CH2等等。
這些數(shù)字處理通道可以與常規(guī)接收器的通道完全一樣，而且可以采用與現(xiàn)有芯片相同的集成電路芯片來制造，所以能使該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本降至最低。下面將參考圖4來簡(jiǎn)單地描述一個(gè)示例性通道，它可以說明本發(fā)明以何種方式使用這些通道所發(fā)出的數(shù)值。
可以回想一下，每個(gè)通道包括一個(gè)本地代碼發(fā)生器來發(fā)送與特定衛(wèi)星相應(yīng)的一個(gè)代碼、一個(gè)相關(guān)器來進(jìn)行由該天線接收到的信號(hào)與該本地代碼的相關(guān)性運(yùn)算、以及一個(gè)跟蹤回路來將該本地代碼的傳輸開始時(shí)刻平移到一個(gè)使該相關(guān)性水平最大的位置。所以，如果該天線從與該天線所接收的信號(hào)中的代碼相對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星接收信號(hào)，那么該本地代碼發(fā)生器便使自己與該代碼同步。
每個(gè)通道還包括一個(gè)本地載波相位發(fā)生器、一個(gè)對(duì)該天線所收到的信號(hào)與該本地載波相位發(fā)生器所產(chǎn)生的相位進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算的相關(guān)器、以及一個(gè)使本地發(fā)生器的相位平移到能使該相關(guān)性水平最大的位置的跟蹤回路。
實(shí)際上，被分為一個(gè)直接信號(hào)I與一個(gè)90°相差信號(hào)Q的天線信號(hào)既要與偽隨機(jī)代碼相乘，也要與本地載波相位的正弦與余弦相乘，而且這些相乘的結(jié)果被組合起來產(chǎn)生兩個(gè)相關(guān)信號(hào)，其中一個(gè)作用于該本地代碼發(fā)生器，另一個(gè)作用于該載波相位發(fā)生器，從這一意義上講，這些代碼與相位跟蹤回路是相互嵌套的。而且，可能會(huì)存在幾個(gè)平行運(yùn)行的相關(guān)與跟蹤回路，一個(gè)回路按所謂準(zhǔn)時(shí)本地代碼運(yùn)行，而另一個(gè)或其他各個(gè)回路則按比該準(zhǔn)時(shí)代碼遲延與提前一個(gè)位周期或一個(gè)位周期之一部分的本地代碼運(yùn)行。與該提前及遲延信號(hào)的相關(guān)性以及與該準(zhǔn)時(shí)代碼的相關(guān)性被組合到一起以便更好地跟蹤該本地代碼；與該準(zhǔn)時(shí)代碼的相關(guān)性可被用來計(jì)算載波相位跟蹤信號(hào)。這涉及基于衛(wèi)星的定位接收器中的常規(guī)設(shè)計(jì)。
這種代碼位置與載波相位的雙重相關(guān)性結(jié)果被送到計(jì)算裝置18。它們一方面被用來實(shí)現(xiàn)這些回路的跟蹤，另一方面向計(jì)算裝置18提供關(guān)于天線與相應(yīng)于這個(gè)數(shù)字處理通道的衛(wèi)星之間的偽距離的搜索信息。具體來講，該偽距離一方面由所接收代碼的當(dāng)時(shí)位置來定義(該偽距離的粗略值)，另一方面由該載波相位來定義(精確值)。該運(yùn)動(dòng)體方向的精確測(cè)定依賴于這兩個(gè)天線所接收到的載波相位差，對(duì)距離幾十厘米的天線而言該代碼位置差非常小。
在圖4所述的示例中，認(rèn)為每個(gè)通道接收24.58MHz的采樣，該采樣來自175.42MHz中間頻率的(由轉(zhuǎn)換器38產(chǎn)生的)100MHz的二次采樣。這些信號(hào)被平移0.42MHz而轉(zhuǎn)換成為單個(gè)邊帶，此后一個(gè)25MHz的采樣就能夠在基帶(載波頻率被下降到接近于0)中發(fā)送同相以及90°相差采樣，記為Ibb與Qbb。對(duì)每個(gè)通道，正是這些采樣要被用來與一個(gè)本地偽隨機(jī)代碼與一個(gè)本地載波頻率(理論上為零，但實(shí)際上由于這些衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)、運(yùn)載該天線的運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)以及該衛(wèi)星振蕩器與該接收器振蕩器之間的偏差所引起的多普勒效應(yīng)而不為零)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。
圖4以示例方法所表示的是一方面與一個(gè)準(zhǔn)時(shí)(punctual)P代碼、另一方面與一個(gè)所謂E-L代碼的常規(guī)相關(guān)性運(yùn)算，該E-L代碼表示比該準(zhǔn)時(shí)代碼提前與遲延一個(gè)位周期或一個(gè)位周期之一部分的代碼的差。該P(yáng)代碼與該E-L代碼由本地代碼發(fā)生器50產(chǎn)生。該P(yáng)代碼(從而該E-L代碼)的起始位置由第一數(shù)字相位控制振蕩器NCO1確定，而NCO1的相位與頻率則由來源于計(jì)算裝置18的數(shù)字信號(hào)加以控制。
一個(gè)本地載波頻率(它代表與所考慮通道對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星的多普勒頻率)由第二數(shù)字相位控制振蕩器NCO2產(chǎn)生，同樣也由計(jì)算裝置18控制。這一頻率驅(qū)動(dòng)一個(gè)正弦與余弦計(jì)算電路52，并根據(jù)振蕩器NCO2的輸出相位p來確定代表這一相位的正弦與余弦值sin(p)與cos(p)。最好每10微秒發(fā)送一個(gè)正弦采樣與一個(gè)余弦采樣。
采樣Ibb與Qbb在準(zhǔn)時(shí)相關(guān)性回路中與該本地準(zhǔn)時(shí)P代碼相乘，在該E-L相關(guān)性回路中與該E-L代碼相乘。相乘的結(jié)果在累加器54、55、56與57中進(jìn)行累加，這些累加器在10微秒(累加250個(gè)25MHz的采樣)后確定FIR類型濾波結(jié)果。同相，采樣Ibb與90°相差采樣Qbb的累加結(jié)果與該P(yáng)與E-L代碼相乘，對(duì)準(zhǔn)時(shí)相關(guān)性通路分別用量值Ip與Qp標(biāo)記，而對(duì)E-L差分相關(guān)性通路則用Id與Qd標(biāo)記。然后，它們的每一個(gè)都與該載波相位的正弦與余弦相乘。
計(jì)算結(jié)果Ip·sin(p)、Qp·sin(p)、Ip·cos(p)與Qp·cos(p)在加法器與減法器中進(jìn)行組合，并在該準(zhǔn)時(shí)相關(guān)性通路中分別構(gòu)成量值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)與Qp·cos(p)-Ip·sin(p)。類似地，在該E-L差分通路中構(gòu)成量值Id·cos(p)+Qd·sin(p)與Qd·cos(p)-Id·sin(p)。
對(duì)該準(zhǔn)時(shí)通路，組合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)與Qp·cos(p)-Ip·sin(p)分別在累加器64與65中對(duì)100個(gè)Ip與Qp采樣(即對(duì)1ms的偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間)進(jìn)行累加。
根據(jù)該累加是對(duì)主天線10的采樣進(jìn)行還是對(duì)副天線12的采樣進(jìn)行而標(biāo)記為IpA與QpA或者IpB與QpB的新數(shù)值以1kHz的頻率被周期地從累加器64與65輸出。
同樣，對(duì)該差分通路，組合值Id·cos(p)+Qd·sin(p)與Qd·cos(p)-Id·sin(p)分別在累加器66與67中對(duì)100個(gè)Id與Qd采樣進(jìn)行累加，從而為該主天線產(chǎn)生數(shù)值IdA與QdA，為該副天線產(chǎn)生IdB與QdB。
所有這些數(shù)值以一個(gè)1微秒的更新周期被送到計(jì)算裝置18，但是這些天線每2毫秒進(jìn)行切換，所以實(shí)際上在這個(gè)示例中，兩個(gè)相繼的量值IpA與兩個(gè)相繼的量值IpB交替出現(xiàn)；同樣，量值QpA、IdA、QdA也被相繼計(jì)算兩次，然后再輪到QpB、IdB、QdB被相繼計(jì)算兩次。
根據(jù)本發(fā)明，該代碼借助于這些累加器發(fā)出的信號(hào)而被跟蹤，不需要考慮它們是來源于天線A還是天線B，而且舉例來說，為了做到這一點(diǎn)要計(jì)算如下量值。對(duì)天線10要計(jì)算(IpA·IdA+QpA·QdA)/(IpA2+|IpA·IdA+QpA·QdA|)
對(duì)天線12要計(jì)算(IpB·IdB+QpB·QdB)/(IpB2+|IpB·IdB+QpB·QdB|)這些每2毫秒交替變換一次的量值就像來自同一個(gè)天線那樣接收處理。它們通過計(jì)算而被濾波，以便確定一個(gè)驅(qū)動(dòng)該數(shù)字相位控制振蕩器NCO1的誤差信號(hào)；該振蕩器的目的是在一個(gè)力圖使該誤差信號(hào)最小的方向上修正該偽隨機(jī)代碼位置，從而使該本地代碼與從對(duì)應(yīng)于這一通道的衛(wèi)星所接收到的代碼同步。但是，也可以設(shè)想只根據(jù)該主天線發(fā)出的量值來計(jì)算該誤差信號(hào)。
而且，用于跟蹤該第二數(shù)字振蕩器NCO2的信號(hào)僅僅根據(jù)從該第一天線發(fā)出的數(shù)值IpA與QpA來計(jì)算。這個(gè)信號(hào)根據(jù)在π之內(nèi)并不確定的量值arctan(QpA/IpA)來計(jì)算，而這個(gè)量值則是在該計(jì)算裝置中根據(jù)累加器64與65發(fā)送這些結(jié)果IpA與QpA時(shí)的輸出來確定。但是，當(dāng)這些累加器在連接到該副天線后發(fā)送信號(hào)IpB與QpB的同時(shí)，該計(jì)算裝置繼續(xù)發(fā)送以前根據(jù)數(shù)值arctan(QpA/IpA)計(jì)算的同樣的跟蹤信號(hào)。該跟蹤信號(hào)的計(jì)算牽涉到數(shù)值arctan(QpA/IpA)的濾波。
來自振蕩器NCO2的數(shù)值輸出代表(被轉(zhuǎn)換到基帶的)本地載波的相位，該載波則代表該接收器與該衛(wèi)星之間的多普勒頻率；這一相位將會(huì)與主天線10上從該衛(wèi)星接收到的載波相位同步。
為了確定從這兩個(gè)天線接收到的載波相位的差，該計(jì)算裝置要根據(jù)從這兩個(gè)天線相繼接收到的數(shù)值IpA、QpA與IpB、QpB確定如下數(shù)值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]
具體地講，這個(gè)數(shù)值(它等于定義在2π區(qū)間上的arctan[(IpB·QpA-QpB·IpA)/(IpA·IpB+QpA·QpB)]，而不像常規(guī)實(shí)施例中那樣定義在π之內(nèi)，該函數(shù)的第一項(xiàng)是該角度的正弦，第二項(xiàng)是余弦)代表搜索相位差。這一相位差和該衛(wèi)星與這兩個(gè)天線之間的無(wú)線電波通道中的差值有關(guān)。知道了該無(wú)線電信號(hào)的波長(zhǎng)、這兩個(gè)天線之間的距離、該接收器的位置(由計(jì)算裝置18根據(jù)在所有通道上的測(cè)量值確定)、以及該衛(wèi)星在該相同時(shí)刻的位置，就能夠由此推導(dǎo)出一個(gè)與連接這些天線的向量AB以及垂直于該接收器/衛(wèi)星軸線的平面之間的夾角有關(guān)的提示。在其他通道進(jìn)行同樣的計(jì)算，就能夠完全測(cè)定該向量在空間中的方向。
通過控制這些相鄰的相位值，就可以在一圈之外(beyond onerevolution)重構(gòu)兩個(gè)天線之間相位差數(shù)據(jù)的連續(xù)性。時(shí)刻N(yùn)-1的相位可從時(shí)刻N(yùn)的相位推算；將這個(gè)差與+π與-π進(jìn)行比較，如果該結(jié)果超過π，那么就認(rèn)為已經(jīng)穿過了0或2π而超過一圈；然后增加或扣除2π進(jìn)行校正。這一過程對(duì)噪聲很敏感，所以附加一個(gè)(數(shù)字)濾波器，而且將這個(gè)濾波器輸出處的相位與輸入處的相位進(jìn)行比較來探測(cè)并校正由于噪聲引起的圈數(shù)跳變。所以要對(duì)兩個(gè)天線之間的相位差進(jìn)行連續(xù)的、濾波后的測(cè)量。與帶有π不確定性的、測(cè)量常規(guī)相位差的傳統(tǒng)求解結(jié)果比較，這一過程可以更加可靠地、而且更加簡(jiǎn)單地消除航向求解結(jié)果中的相位不確定性。
應(yīng)當(dāng)注意，通過確定2π之內(nèi)的反正切來計(jì)算相位差的、符合本發(fā)明的這一方法更加便于使用，它與這兩個(gè)天線有無(wú)多路傳輸無(wú)關(guān)。它甚至還可以加以推廣來測(cè)定只具有一個(gè)單獨(dú)天線的運(yùn)動(dòng)體的位置(不是測(cè)定取向)，而且在其中通過連續(xù)跟蹤該相位數(shù)據(jù)來確定該運(yùn)動(dòng)體相對(duì)于已知先前位置的位置。在這種情況下，數(shù)值atan2采用量值IpB·QpA-QpB·IpA(該相位的正弦)與IpA·IpB+QpA·QpB(該相位的余弦)作為自變量來計(jì)算，其中IpA與QpA代表對(duì)該運(yùn)動(dòng)體的(已知的或先前計(jì)算所得的)第一位置的測(cè)量值，IpB與QpB代表對(duì)(需要確定的)第二位置的測(cè)量值。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，由atan2計(jì)算相位差既適合于從兩個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)，也適合于從同一個(gè)天線連續(xù)接收到的信號(hào)。
應(yīng)當(dāng)注意，確定該問題的幾何解既可以按傳統(tǒng)方法通過連續(xù)近似來進(jìn)行，也可以根據(jù)2000年4月21日的現(xiàn)有專利申請(qǐng)F(tuán)R 00 05183所示的方法進(jìn)行。不需要校準(zhǔn)程序。
點(diǎn)B的位置是相對(duì)于點(diǎn)A測(cè)定的，而不是相對(duì)于獨(dú)立的基準(zhǔn)，從這個(gè)意義上講，該方向計(jì)算是差分計(jì)算。這一測(cè)定是根據(jù)相位或在各點(diǎn)測(cè)得的偽距離的差來進(jìn)行的。
總體而言，根據(jù)偽距離雙重差分(一對(duì)衛(wèi)星之間的偽距離的差)的傳統(tǒng)概念條文，其計(jì)算原理如下-借助這些衛(wèi)星的天體位置推算表在測(cè)量時(shí)刻t計(jì)算這些衛(wèi)星的位置；-根據(jù)偽距離的差分測(cè)量值來確定點(diǎn)A與點(diǎn)B之間沿該衛(wèi)星瞄準(zhǔn)軸線的差分距離。這些距離可以從總體角度看作A與B之間的距離沿這些軸線的投影；這些距離是測(cè)量距離；-平行計(jì)算點(diǎn)A的估計(jì)位置與點(diǎn)B之間沿同樣軸線的距離；這些距離是估計(jì)距離；這些估計(jì)位置或者可從先前進(jìn)行的計(jì)算獲得，或者可從估計(jì)點(diǎn)在以點(diǎn)B為中心、D為半徑的圓周或球面的一部分上的分布來求得；-沿每個(gè)軸線確定該測(cè)量距離與該估計(jì)距離之間的差，這可以被稱為沿這一軸線的偏差值或“新息”；-借助于代表這些衛(wèi)星瞄準(zhǔn)軸線方向的方向余弦矩陣，根據(jù)這些偏差值來計(jì)算點(diǎn)A的測(cè)量位置與該估計(jì)位置之間在縱向、橫向與姿態(tài)方面的偏差；-將該計(jì)算偏差值加到該初始估計(jì)位置，就獲得點(diǎn)A的一個(gè)計(jì)算位置，它或者是一個(gè)確定的位置，或者是一個(gè)為后續(xù)計(jì)算步驟所用的新的估計(jì)位置；-將點(diǎn)A位置的該確定值轉(zhuǎn)換為希望的方向信息(特別是航向)。
應(yīng)當(dāng)注意，為了在以后測(cè)定方向，該接收器位置的測(cè)定十分重要，哪怕是近似的也行。這一測(cè)定的先決條件是獲得衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)。這種獲取是通過探測(cè)該偽隨機(jī)代碼開始處出現(xiàn)的相位跳變，并根據(jù)50Hz的數(shù)據(jù)解調(diào)來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在，這些數(shù)據(jù)調(diào)制跳變或者是在由該主天線獲取期間出現(xiàn)，或者在由該副天線獲取期間出現(xiàn)。對(duì)由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)而引起的相位跳變的探測(cè)通常通過觀察數(shù)值Ip的符號(hào)來實(shí)現(xiàn)，它采用在該偽隨機(jī)代碼的半個(gè)周期內(nèi)累加組合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)的累加器69。
如前所述，如果在由該副天線12獲取的期間內(nèi)出現(xiàn)相位跳變，那么就必須避免計(jì)算這些天線之間的相位差。具體地講，這一計(jì)算將會(huì)由于測(cè)量過程中間的相位跳變而出現(xiàn)錯(cuò)誤。所以，也要排除在相應(yīng)的4毫秒周期內(nèi)的相位差測(cè)量。通過與該通道處理所確定的數(shù)據(jù)速率同步，就可以知道由于該數(shù)據(jù)調(diào)制所引起的相位跳變可能出現(xiàn)的時(shí)刻。該計(jì)算裝置跟蹤隨后的變化，在任何時(shí)刻都能夠知道在該主天線或者該副天線接收期間是否存在二進(jìn)制數(shù)據(jù)的邊界。這可以使導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息得以完全重構(gòu)，而不會(huì)由于這些天線的切換而丟失。
這里已經(jīng)描述了一個(gè)能確定運(yùn)動(dòng)體方向的、價(jià)格便宜而且特別簡(jiǎn)單的接收器。該設(shè)備絲毫沒有降低該導(dǎo)航數(shù)據(jù)的恢復(fù)質(zhì)量。它可以與當(dāng)代系統(tǒng)一道使用，譬如GPS(50Hz調(diào)制)、GLOANASS(100Hz)、WAAS/EGNOS/MSAS(500Hz)，也可以與未來的Galileo系統(tǒng)(伽利略系統(tǒng))一道使用。在WAAS/EGNOS/MSAS信號(hào)情況下，對(duì)由這些衛(wèi)星傳輸?shù)男盘?hào)的數(shù)據(jù)調(diào)制(天體位置推算表等等)按照500Hz進(jìn)行，這是一個(gè)與這些天線的切換頻率接近的頻率。在這一情況下，該數(shù)據(jù)必須采用兩個(gè)天線來恢復(fù)，而無(wú)需這兩個(gè)天線之間的相位偏差。所以希望對(duì)每顆衛(wèi)星使用兩個(gè)處理通道而不是一個(gè)處理通道，每個(gè)通道都與一個(gè)天線關(guān)聯(lián)。但是分配給GPS或GLONASS衛(wèi)星的其他通道仍保留多路傳輸以便交替接收來自這兩個(gè)天線的信號(hào)。
在P個(gè)天線上接收N顆衛(wèi)星只需要標(biāo)準(zhǔn)的N通道接收器，而不需要一個(gè)P×N通道的接收器。
權(quán)利要求
1.一個(gè)測(cè)定運(yùn)動(dòng)體方向的設(shè)備，包括至少兩個(gè)用于接收基于衛(wèi)星的定位信號(hào)的天線(10、12)，一個(gè)用于接收并用于處理由這些天線接收到的信號(hào)的共用電路(34)，一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(38)，N個(gè)數(shù)字信號(hào)處理通道(CH1、CH2、......)，每個(gè)通道包括一個(gè)用于相關(guān)性運(yùn)算以及用于跟蹤本地周期偽隨機(jī)代碼位置與本地載波相位的電路，這些通道的每一個(gè)都發(fā)送從各自衛(wèi)星接收到的信號(hào)與本地代碼之間的相關(guān)性測(cè)量值以便使該本地代碼與本地載波能跟蹤該接收到的信號(hào)，該設(shè)備還包括一個(gè)用于接收從這些通道發(fā)出的數(shù)字相關(guān)性測(cè)量值并控制該跟蹤電路的計(jì)算裝置(18)，該設(shè)備的特征為-天線(10、12)被安裝在一個(gè)公用外殼(14)中，該外殼包含一個(gè)切換裝置(30)以便將從該第一天線(10)發(fā)出的信號(hào)與從該第二天線(12)發(fā)出的信號(hào)交替引導(dǎo)至用于接收并用于處理該無(wú)線電信號(hào)的電路(34)；-該公用外殼(14)被用一根單獨(dú)的同軸電纜(17)連接到用于接收并用于處理無(wú)線電信號(hào)的電路(34)，該同軸電纜同時(shí)傳輸該無(wú)線電信號(hào)、一個(gè)天線供電電壓以及一個(gè)用于控制切換該天線的切換裝置的周期提示；-無(wú)線電信號(hào)接收與處理電路(34)包括一個(gè)計(jì)算裝置，它計(jì)算用于跟蹤每個(gè)通道的代碼的數(shù)字信號(hào)；-該接收與處理電路還包括一個(gè)計(jì)算裝置，它計(jì)算用于跟蹤每個(gè)通道載波的數(shù)字信號(hào)，這一裝置僅僅根據(jù)從該第一天線接收到的信號(hào)動(dòng)作；-該接收與處理電路還包括一個(gè)計(jì)算裝置，它計(jì)算每個(gè)通道在該第一天線上接收到的載波與在該第二天線上接收到的載波之間的相位差，這一裝置一方面根據(jù)從該第一天線接收到的信號(hào)動(dòng)作，另一方面根據(jù)從該第二天線接收到的信號(hào)動(dòng)作，但同時(shí)該跟蹤電路仍由根據(jù)該第一天線發(fā)出的信號(hào)計(jì)算所得的載波跟蹤信號(hào)來控制。
2.權(quán)利要求1中所要求的設(shè)備，其特征為，計(jì)算用于跟蹤每個(gè)通道代碼的信號(hào)的裝置根據(jù)從這兩個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)動(dòng)作，而與天線的切換無(wú)關(guān)。
3.權(quán)利要求1或2所要求的設(shè)備，其特征為，計(jì)算該載波跟蹤信號(hào)的裝置包括在接收來自該第一天線(10)的信號(hào)期間確定第一數(shù)值IpA與QpA的裝置，這些數(shù)值分別代表在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的一個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)的同相與90°相差相關(guān)性結(jié)果，以及在接收來自該第二天線(12)的信號(hào)期間確定相應(yīng)的第二數(shù)值IpB與QpB，還包括計(jì)算數(shù)值arctan(QpA/IpA)的裝置，該數(shù)值可在接收來自這兩個(gè)天線的信號(hào)期間用來確定載波相位跟蹤信號(hào)。
4.權(quán)利要求3中所要求的設(shè)備，其特征為，該計(jì)算相位差的裝置包括計(jì)算數(shù)值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]的裝置，該數(shù)值代表這兩個(gè)天線從同一顆衛(wèi)星接收到的信號(hào)之間的相位差。
5.權(quán)利要求1至4中的一款所要求的設(shè)備，其特征為，該天線切換電路(30)包括一個(gè)將DC電壓的兩個(gè)電平(V1、V2)施加到鏈接的輸出端(40)的裝置，這些電平被疊加到經(jīng)過這一鏈接傳播的無(wú)線電信號(hào)之上；一個(gè)用于在這一鏈接的輸入端(42)探測(cè)該電壓電平的電壓電平探測(cè)器(COMP)；一個(gè)由該電平探測(cè)器控制的開關(guān)(K)，它根據(jù)所探測(cè)到的電壓電平將從該鏈接上存在的DC電壓發(fā)出的一個(gè)供電電壓(V0)引導(dǎo)至連接到該第一天線(10)的第一天線信號(hào)放大器(PRA)，或者引導(dǎo)至連接到該第二天線(12)的第二天線信號(hào)放大器(PRB)，這兩個(gè)放大器的輸出都被連接到該鏈接的輸入端(42)，以便根據(jù)施加到該鏈接輸出端的DC電壓電平來將從該第一天線發(fā)出的信號(hào)或者從該第二天線發(fā)出的信號(hào)傳輸?shù)皆撴溄拥妮敵龆?40)。
6.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所要求的設(shè)備，其特征為，該天線切換裝置(30)的一個(gè)動(dòng)作周期是該偽隨機(jī)代碼周期的倍數(shù)。
7.一個(gè)根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)測(cè)定運(yùn)動(dòng)體方向的處理方法，該信號(hào)包括一個(gè)由偽隨機(jī)代碼進(jìn)行編碼的載波頻率，在該方法中執(zhí)行的步驟包括產(chǎn)生一個(gè)本地代碼以及一個(gè)載波；在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的倍數(shù)的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)接收從第一天線(10)發(fā)出的一個(gè)信號(hào)；在這個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)計(jì)算可以產(chǎn)生本地載波相位跟蹤命令的第一數(shù)值(IpA，QpA)，并實(shí)際利用這個(gè)命令作為載波相位跟蹤信號(hào)；此后在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的倍數(shù)的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)接收從第二天線(12)發(fā)出的一個(gè)信號(hào)；還在這一時(shí)間段結(jié)束時(shí)計(jì)算第二數(shù)值(IpB，QpB)，該第二數(shù)值可以產(chǎn)生能夠用于該第二天線載波相位跟蹤的跟蹤命令，但是這一時(shí)間段結(jié)束時(shí)繼續(xù)利用該第一數(shù)值來確定該載波相位跟蹤信號(hào)；以及利用該第一與第二數(shù)值的組合來計(jì)算這兩個(gè)天線之間的載波相移，并利用這一相移來計(jì)算該運(yùn)動(dòng)體的方向，這一處理方法的特征在于-該第一數(shù)值是數(shù)值IpA與QpA，它們分別代表接收來自該第一天線的信號(hào)期間在等于該偽隨機(jī)代碼持續(xù)時(shí)間的時(shí)間段結(jié)束時(shí)的同相與90°相差相關(guān)性結(jié)果，而且該第二數(shù)值是在接收來自該第二天線的信號(hào)期間的相應(yīng)值IpB與QpB，-計(jì)算一個(gè)數(shù)值arctan(QpA/IpA)，并在使用任何一個(gè)天線時(shí)將其用作載波相位跟蹤命令，-以及計(jì)算一個(gè)數(shù)值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表這兩個(gè)天線從同一顆衛(wèi)星接收到的信號(hào)之間的相位差，這個(gè)相位差被用來計(jì)算連接這兩個(gè)天線的向量的方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及借助GPS信號(hào)來測(cè)定運(yùn)動(dòng)體的方向。根據(jù)本發(fā)明，提供了一個(gè)接收器(16)，它包括用于對(duì)從幾個(gè)天線(10、12)發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的一個(gè)單獨(dú)通道組件，這些信號(hào)經(jīng)由一個(gè)單獨(dú)鏈接(17)到達(dá)該接收器，該鏈接也被用來為該天線前置放大器供電并為至少兩個(gè)天線進(jìn)行多路傳輸。用于對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的這些通道利用來自這些天線的信號(hào)以便執(zhí)行對(duì)本地偽隨機(jī)代碼的跟蹤，但僅僅利用從主天線(10)發(fā)出的信號(hào)來執(zhí)行對(duì)本地載波相位的跟蹤。這些天線之間的信號(hào)的相移可被用來測(cè)定連接這些相對(duì)位置已知的天線的向量的方向，該相移可以由能在任何GPS接收器中常規(guī)確定用于跟蹤相位與載波回路的信號(hào)的那些數(shù)字相關(guān)值來計(jì)算。特別適用于測(cè)定一艘船的航向。能夠用于任何類型的載體，包括步行者、地面車輛、船只、飛機(jī)。
文檔編號(hào)G01S5/14GK1463366SQ02802000
公開日2003年12月24日 申請(qǐng)日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月6日
發(fā)明者米歇爾·普里烏, 達(dá)尼埃爾·布拉索, 貝特朗·凱梅內(nèi), 斯特凡娜·羅萊 申請(qǐng)人:塔萊斯公司