專利名稱：表征在圓極化信號(hào)中的多徑干擾的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于在諸如測(cè)距系統(tǒng)中所用的圓極化信號(hào)的接收機(jī)，具體地涉及一種提供多徑干擾度的指示的接收機(jī)。
諸如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄國(guó)的全球?qū)Ш较到y(tǒng)(GLONASS)等測(cè)距系統(tǒng)允許用戶精確地確定他/她的緯度，經(jīng)度和海拔。接收機(jī)通過對(duì)由一組地球軌道衛(wèi)星發(fā)送的精確定時(shí)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行譯碼來完成測(cè)距。用唯一的高頻偽隨機(jī)噪音(PRN)碼來調(diào)制這些信號(hào)，該接收機(jī)使用這些碼的定時(shí)來確定傳輸時(shí)間，從而確定距每個(gè)衛(wèi)星的距離。
在理想的通信信道中在接收機(jī)上只存在直接的或視距信號(hào)。該接收機(jī)將該視距信號(hào)與本地產(chǎn)生的PRN碼相關(guān)，并利用該相關(guān)函數(shù)峰值精確地確定該傳輸時(shí)間。通常，還可接收到該發(fā)送信號(hào)的反射。具體地說，從地球的表面和各種人造的建筑物反射以后也可到達(dá)該接收機(jī)天線。將這些總起來稱為多路徑的信號(hào)在接收機(jī)上與視距信號(hào)組合。
多徑信號(hào)相對(duì)于視距信號(hào)的時(shí)間延遲導(dǎo)致了測(cè)距精度的降低。具體地說，它可使該相關(guān)函數(shù)畸變，從而移動(dòng)了該函數(shù)的視在的峰值。導(dǎo)致的不精確的嚴(yán)重程度是衛(wèi)星和相對(duì)于各種反射客體的接收天線位置的函數(shù)。已研究出一些方法來抵消多徑對(duì)測(cè)距系統(tǒng)性能的影響。例如，美國(guó)專利No.5495499描述了一種窄相關(guān)器，來減少多徑對(duì)測(cè)距估算的影響，美國(guó)專利No.5615232公開了一種迭代曲線匹配機(jī)構(gòu)，大大地消除了多徑對(duì)相關(guān)函數(shù)的影響。
然而，這些方法在解決多徑的影響中有許多局限性和限制，而且一個(gè)GPS定位系統(tǒng)的用戶不能知道多徑干擾使測(cè)距估算的精度降到何種程序。例如，即使該相關(guān)函數(shù)的形狀的失真是最小時(shí)，也可存在視距信號(hào)與多徑信號(hào)的定時(shí)和載波相位的差別。該差別導(dǎo)致了相關(guān)峰值的移動(dòng)，和相關(guān)的測(cè)距精度的降低。這種情況發(fā)生在由“接近”的反射器產(chǎn)生多徑時(shí)，即當(dāng)視距與多徑信號(hào)的相對(duì)路徑長(zhǎng)度的差值小于PRN片的主要部分時(shí)。
所需要的是用于表征因多徑干擾(特別是當(dāng)該干擾由“接近”的反射器產(chǎn)生時(shí))在接收信號(hào)中的誤差的簡(jiǎn)單低成本的系統(tǒng)?？蓪⑦@些結(jié)果用于給用戶提供接收信號(hào)質(zhì)量的表示和多徑的存在。該系統(tǒng)并未不適當(dāng)?shù)卦黾赢?dāng)前可用的接收單元的成本或尺寸。
實(shí)施本發(fā)明的GPS接收機(jī)包括優(yōu)先處理視距信號(hào)的第一信道和優(yōu)先處理多徑信號(hào)的第二信道。然后將這些結(jié)果進(jìn)行比較以確定是否該多徑降低了該視距信號(hào)的處理結(jié)果。
該GPS衛(wèi)星發(fā)送右旋圓極化(RHCP)信號(hào)。當(dāng)該多徑信號(hào)被反射時(shí)，根據(jù)反射器的特征，他們通?；蛘咿D(zhuǎn)換極性變?yōu)樽笮龍A極化(LHCP)信號(hào)，或者變?yōu)榫€性級(jí)化信號(hào)。在多徑干擾存在時(shí)，GPS接收機(jī)可接收來自衛(wèi)星的直接信號(hào)和反射信號(hào)的復(fù)合，也就是RHCP，LHCP和線性極化信號(hào)的復(fù)合。構(gòu)成通常的GPS接收機(jī)天線單元的提供主要對(duì)RHCP信號(hào)敏感的信道。理想地，只有右旋信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)信道，面左旋信號(hào)會(huì)被大量地消除。然而，線性極化信號(hào)和LHCP信號(hào)沒有完全被該接收天線單元所抑制。因此，一些多徑分量通常將與該信道中的視距信號(hào)組合，從而降低了接收機(jī)性能。
我們改進(jìn)了該接收機(jī)天線單元以提供優(yōu)先通過LHCP信號(hào)的第二信道。因此這個(gè)信道一般對(duì)多徑分量比對(duì)視距信號(hào)更敏感。以通常的方式分別處理在右旋信道中(對(duì)于視距信號(hào)衰減的多徑信號(hào))和左旋信道中(對(duì)于多徑衰減的視距信號(hào))的信號(hào)。然后將結(jié)果的距離，信號(hào)強(qiáng)度和/或載波相位估算比較，以檢測(cè)多徑的存在，并確定自該右旋信道獲得的讀數(shù)降到何種程度。
盡管可采用兩個(gè)天線分別接收RHCP和LHCP分量，最好是采用單個(gè)的雙端天線，以便保證每個(gè)信道中的信號(hào)起源于共同相位中心。90°的混合耦合器分開該兩個(gè)天線信號(hào)，以產(chǎn)生在一個(gè)輸出端口上的右旋信號(hào)和在第二輸出端口上的左旋信號(hào)。
下面參考附圖描述本發(fā)明，其中

圖1是實(shí)施本發(fā)明的測(cè)距系統(tǒng)的圖示；圖2是接收機(jī)相關(guān)函數(shù)的曲線圖。
如圖1中所示，一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)由天線單元100，接收機(jī)單元102和用戶顯示單元104組成。該天線100可以是美國(guó)專利5 200 756(’756)(在此引用作為參考)中描述的部件的修改型。然而，可采用任何其它種類的雙(左旋和右旋)圓極化天線來提供本發(fā)明的特征。天線部件110具有兩端112和114，分別連接到90°的混合耦合器120的輸入端口122和124。通過耦合器120將天線輸入端112和114上的信號(hào)組合，以提供在第一輸出端口126上的右旋信號(hào)，和在第二輸出端口128上的左旋信號(hào)。以與右旋信號(hào)同樣的方式處理該左旋信號(hào)。這不同于由’756天線單元進(jìn)行的左旋信號(hào)的處理，它在輸出端口128以匹配的負(fù)載端接該左旋信號(hào)。
天線單元100包括濾波器130a和130b，低噪音放大器132a和132b，用于來自端口126和128的信號(hào)。將結(jié)果的輸出信號(hào)傳送到接收機(jī)單元102。該接收機(jī)單元102可包括視距(LOS)信道接收機(jī)106a，多徑信道接收機(jī)106b，和比較單元108。LOS信道接收機(jī)106a和多徑信道接收106b是相同的，我們下面將描述LOS信道接收機(jī)106a的操作。可以理解，不用兩個(gè)分立的接收機(jī)，可用單一的接收機(jī)來分開處理來自LOS和多徑信道的信號(hào)。
該LOS接收機(jī)106a下變頻并數(shù)字化該接收信號(hào)以產(chǎn)生同相(Ⅰ)和正交(Q)樣本。將該I和Q樣本用于產(chǎn)生自各種GPS衛(wèi)星的距離，信號(hào)強(qiáng)度和載波相位估算。通過將該接收信號(hào)與本地產(chǎn)生的PRN碼相關(guān)來計(jì)算距離估值。在圖2的曲線A中示出了理想的相關(guān)函數(shù)202。該LOS信道接收機(jī)106a通過確定相關(guān)函數(shù)202的峰值203的位置來估算該距離，然后它用該距離估算來計(jì)算位置輸出信號(hào)105，將它供給用戶顯示器104。當(dāng)該多徑干擾是可忽略時(shí)，該相關(guān)函數(shù)202將不被畸變，該位置將是精確的無誤差。
即使小量的多徑干擾也可畸變?cè)撓嚓P(guān)函數(shù)202，如圖2的曲線B中所示。該相關(guān)函數(shù)202包括來自視距信號(hào)相關(guān)函數(shù)204和多徑信號(hào)相關(guān)函數(shù)206二者的貢獻(xiàn)。該LOS信道接收機(jī)106a采用諸如在美國(guó)專利5 495 499和5 612 232(在此引用作為參考)中分別描述的窄相關(guān)和迭代曲線匹配等處理方法，成功地確定相關(guān)函數(shù)202的峰值203的位置，在這種失真存在的情況下計(jì)算精確的距離估值。
然而更明顯的多徑干擾可降低該距離估值。例如，窄相關(guān)器不可能精確地確定該峰值的位置，或鎖定已由多徑干擾時(shí)偏了的相關(guān)函數(shù)202的峰值203，如圖2的曲線C中所示。操作迭代曲線匹配機(jī)構(gòu)，以大范圍地估算來自曲線C的該接收相關(guān)函數(shù)202的多徑失真，并精確地確定視距相關(guān)函數(shù)204的峰值205的位置。然而，在某些情況，多徑信號(hào)可能不是明顯地畸變?cè)撓嚓P(guān)函數(shù)，在視距和多徑信號(hào)的相對(duì)載波相位中的差別仍產(chǎn)生該相關(guān)函數(shù)的一個(gè)小的時(shí)間偏移，它對(duì)該距離估算造成誤差。該迭代曲線匹配機(jī)構(gòu)不能檢測(cè)和校正這個(gè)誤差。同樣，該窄相關(guān)器也不能檢測(cè)這種時(shí)間偏移，任何一個(gè)系統(tǒng)的用戶都不會(huì)知道多徑干擾對(duì)該距離估算引入了誤差。
當(dāng)出現(xiàn)足夠高的多徑信號(hào)電平時(shí)，該多徑信道接收機(jī)106b將能夠鎖定和跟蹤該復(fù)合GPS信號(hào)。該多徑信道接收機(jī)106b產(chǎn)生I和Q樣本，以此可估算距離，信號(hào)強(qiáng)度和載波相位。LOS信道接收機(jī)106a和多徑信道接收機(jī)106b將它們的估算值發(fā)送到比較單元108。該比較單元108比較這些估算值，以確定是否該多徑干擾已在該距離估算中引入了明顯的誤差，并對(duì)用戶顯示器104輸出一個(gè)誤差表示信號(hào)109，警告該用戶在該位置輸出信號(hào)105中的誤差。在該最佳實(shí)施方案中，由一處理器以軟件來實(shí)施該比較單元108所執(zhí)行的功能，該處理器還執(zhí)行相關(guān)，估算距離、信號(hào)強(qiáng)度和載波相位，并估算位置。
上面描述的是本發(fā)明的具體實(shí)施方案。然而很明顯，為達(dá)到它的一些或全部的優(yōu)點(diǎn)可對(duì)本發(fā)明作許多變化和修改。因此所附權(quán)利要求書的目的是覆蓋按照本發(fā)明的精神和范圍的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1．一種用于表征多徑干擾的設(shè)備包括(a)天線，用于接收包括單旋(one-hand)圓極化發(fā)送信號(hào)，反旋圓極化多徑干擾和線性極化多徑干擾的信號(hào)；(b)用于從由該天線所接收的右旋圓極化(RHCP)信號(hào)中優(yōu)先取得右旋信號(hào)的裝置；(c)用于從由該天線所接收的左旋圓極化(LHCP)信號(hào)中優(yōu)先取得左旋信號(hào)的裝置；(d)分別處理所述的右旋和左旋信號(hào)，以提供對(duì)應(yīng)于各個(gè)源的右旋和左旋輸出數(shù)據(jù)的裝置；(e)從與發(fā)送信號(hào)相關(guān)的該輸出數(shù)據(jù)確定多徑影響的裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的發(fā)送信號(hào)包括來自一組源的信號(hào)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述的右旋和左旋輸出數(shù)據(jù)包括載波相位、信號(hào)強(qiáng)度和距離估算。
4．根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述的確定裝置包括用于計(jì)算所述每個(gè)源的右旋和左旋估算之間的差值的裝置，所述的差值是在所述距離估值中多徑誤差的表示。
全文摘要
公開了一種用于表示多徑干擾的設(shè)備,一個(gè)天線接收包括右旋圓極化(RHCP)發(fā)送信號(hào)、左旋圓極化(LHCP)多徑干擾和線性極化多徑干擾的信號(hào)。自該RHCP信號(hào)優(yōu)先取得右旋信號(hào),并自該LHCP信號(hào)優(yōu)先取得左旋信號(hào)。以通常方式分別處理該右旋信號(hào)(對(duì)于視距信號(hào)衰減的多徑信號(hào))和左旋信號(hào)(對(duì)于多徑衰減的視距信號(hào))。然后將對(duì)于右旋和左旋信號(hào)的所得距離、信號(hào)強(qiáng)度和/或載波相位估值比較,以檢測(cè)多徑干擾的存在,并確定它把自該右旋信道獲得的讀數(shù)降低到何種程度。
文檔編號(hào)H04J11/00GK1299468SQ99805669
公開日2001年6月13日 申請(qǐng)日期1999年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月1日
發(fā)明者W·庫尼斯茲, T·J·福德, J·紐曼 申請(qǐng)人:諾瓦特爾有限公司