专利名称：用于测定运动体方向的接收器的制作方法
技术领域：
本发明涉及精确与快速测定空间运动体的方向。
通常，航海需要对一艘船所沿其行驶的航向有某种了解，看它是在航行、机动还是已经停泊。航向信息是与该船纵轴在水平面内的取向有关的信息。本发明将结合一艘船或一架飞机的航向测定加以简单描述，但它也可以应用于与运动体的取向有关的其他信息，包括该水平面之外的信息侧摇与纵仰姿态信息是航海与航空等中的另一部分重要信息，尽管通常它需要的精度比航向信息低。与一部地面车辆的航向或取向有关的信息也很重要。还可以设想其他的示例应用，譬如关于一部吊车、一件武器、一位步行者等等的取向信息。
传统上，航向测量是借助于一个磁罗盘仪、一个陀螺罗盘或一个惯性单元来实现。
由于地理北极与地磁北极的偏差以及在该罗盘周围的干扰磁质，磁罗盘仪需要进行校正。
由电力支承的陀螺罗盘对磁力变化不敏感，在船舶中被广泛采用。但是，安装的困难、在高纬度下精度下降、机械维护以及要求高精度时所需的费用是相当大的障碍。
惯性单元能提供高质量的测量，但费用昂贵，而且必须借助于其他测量手段来定期重新标定。
对方向测定问题，可以设想使用由卫星测定位置的装置，譬如采用GPS(全球定位系统)系统或者特别是GLONASS系统的定位卫星所发射的无线电信号。
利用几个位于该运动体(船舶、飞机等等)上不同位置的天线，并通过差分测量来测定这些天线的相对位置，就能够借助航向、侧摇与纵仰来计算姿态。在良好接收条件下获得的精度对航向可以是3毫弧度，对侧摇或纵仰可以是6至8毫弧度，它们是这些天线之间距离的函数。
所以人们已经提出了根据卫星信号接收器来探测姿态的装置，它包括几个连接到信号接收与数字处理电路的接收天线(每个天线一个接收器)，每个电路都能测定相应天线与该天线视线上各颗卫星之间的伪距离。如果一颗卫星到两个相应天线的距离不同，那么相应于该同一颗卫星、但由两个不同接收电路测定的伪距离也不同。一个计算处理器接收来源于每个接收器的伪距离测量值并确定它们的差，该计算处理器还控制这些接收器的运行；根据对该测量时刻这些卫星位置的知识以及对这些天线之间的固定距离的知识，该处理器通过常规的三角计算方法由这些差值推算连接这些天线的向量的方向。
然而，这些系统比较昂贵。所以需要那些能够完成同样功能、但不太昂贵的系统，即便这将部分地有损于某些性能方面也行。
导致高成本的原因之一是所需的信号接收与处理电路的复杂性对每个接收器都必须提供用来接收与用来模拟处理从这些卫星接收到的射频信号的一个电路，并提供几个数字处理通道，每个通道分别对应一颗卫星(譬如每个接收器有10个通道，甚至16个通道)；而且每个处理通道包括复杂的、高频运行的数字电路，这些电路中带有用于相关性计算与用于伪随机代码跟踪(slaving)的回路，以及用于相关性计算以及用于跟踪该卫星信号的载波频率相位的回路。
即使对只采用两个接收天线的简单航向测定，整个姿态测定单元也可能变得非常昂贵。本发明的一个目的是一方面使所需电路减至最少，另一方面通过重复使用与现有定位接收器中完全相同的模拟与数字处理电路来提供一个安装简单且并不昂贵的设备；所以，需要修改的仅仅是数值计算软件，而不是那些用来制造测定伪距离的模拟与数字处理电路的集成电路芯片。
这就是能根据本发明来提供一个用于测定运动体方向的设备的理由，该设备包括至少两个用于接收基于卫星的定位信号的天线；一个用于接收与用于处理这些天线所接收到的无线电信号的共用电路；一个模/数转换电路；N个数字处理通道，每一个通道都包括一个用于相关性计算以及用于跟踪本地周期伪随机代码位置及本地载波相位的电路，这些通道的每一个都提供从各自的一颗卫星接收到的信号与该本地代码之间的相关性测量值，以便使该本地代码与该本地载波能跟踪所接收到的信号；而且该设备还包括一个用于接收从这些通道发出的数字相关性测量值以及用于控制该跟踪电路的计算装置，这一设备的特征为-这些天线被安装在一个公用外壳内，该外壳包括切换装置以便将该第一天线发出的信号与该第二天线发出的信号交替引导至用于接收与用于处理该无线电信号的电路，该切换装置的动作周期最好是该伪随机代码周期的倍数，-该公用外壳通过一根单独的同轴电缆被连接到用于接收与处理这些无线电信号的共用电路，该电缆同时传输这些无线电信号、一个天线供电电压以及控制用来切换该天线的切换装置的一个周期提示，-用于接收与处理无线电信号的电路，它包括一个用于跟踪每个通道代码的数字信号计算装置；这一装置最好根据这两个天线发出的信号来动作而与这些天线的切换无关，-该接收与处理电路还包括一个用于跟踪每个通道载波的一个数字信号计算装置，这一装置只根据从该第一天线接收到的信号动作，-该接收与处理电路还包括一个为每个通道计算该第一天线上接收到的载波与该第二天线上接收到的载波之间相位差的装置，这一装置一方面根据从该第一天线接收到的信号动作，另一方面根据从该第二天线接收到的信号动作，而该跟踪电路仍由根据该第一天线发出的信号计算所得的载波跟踪信号来控制。
本发明的原理实际上包括在等于该伪随机代码持续时间的倍数的一个时间段内接收从该第一天线发出的一个信号，在这个时间段结束时计算可以构成载波相位跟踪命令的第一数值，并实际利用这个命令来作为载波相位跟踪信号，然后在等于该伪随机代码持续时间的倍数的一个时间段内接收从该第二天线发出的一个信号，而且在这个时间段结束时利用与该第一数值计算相同的方式来计算可以构成能用于该第二天线载波相位跟踪的跟踪命令的第二数值，但是仍然利用该第一数值来确定该载波相位跟踪信号，以及利用该第一与第二数值的组合来计算该方向。
实际上，该计算包括在接收来自该第一天线的信号期间确定第一数值IpA与QpA，它们分别代表在等于该伪随机代码持续时间的时间段结束时的同相与90°相差相关性结果，以及在接收来自该第二天线的信号期间确定相应的第二数值IpB与QpB；计算数值arctan(QpA/IpA)并在无论使用哪个天线时都利用它作为载波相位跟踪命令；以及按照2π的定义来计算数值反正切atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表这两个天线从同一颗卫星所接收到的信号之间的相位差，这一相位差将被用来计算连接这两个天线的向量的方向。在相位差达到2π时，要重构相位差曲线的连续性来避免跳变。
该天线切换电路最好包括一个用来将DC电压的两个电平交替施加到该同轴电缆(它将该外壳连接到该接收与处理电路)输出的装置，而该DC电压则是叠加在沿这个电缆(从该天线至该接收器)传输的无线电信号之上；一个用于探测这个电缆或这个链接输入处电压电平的电压电平探测器；一个由该电平探测器控制的开关，该开关根据探测到的电压电平将(由该电缆上的DC电压发出的)供电电压引导至连接到该第一天线的第一天线信号放大器或者引导至连接到该第二天线的第二天线信号放大器，这两个放大器的输出被连接到该同轴电缆的输入端以便在该电缆上根据施加到该电缆输出端的DC电压电平来传输从该第一天线发出的信号或者从该第二天线发出的信号。
当这些天线被远程安置得距该接收器有一定距离时，这一结构可以实现期望的切换而不需要在该信号接收器与这些天线之间进行特殊的供电或切换连接。只通过一根单独的同轴电缆来就可以实现对这些天线与(位于该天线附近的)对它们的放大器的DC供电以及实现该切换命令，该同轴电缆另一个方向上则被用来将这些天线信号送回该接收器。
从这两个天线发出的无线电信号由一个可以与现有技术中完全相同的频率变换电路进行模拟处理，本发明的原理并不需要设计一个不同的电路。然后这些信号按照与现有技术相同的方法被转换为数字信号。最后，它们进入数字信号处理通道，这些通道的硬件设计与现有技术相比也没有变化。这些数字信号处理通道将数值传送到管理这些通道的计算装置，并接收来自这一计算装置的数值。这一计算装置所用的运行软件与现有技术不同，但改进该软件的成本将大大低于设计与改进复杂集成电路芯片的成本。
所以，符合本发明的测定姿态的设备就能够按照特别经济的方法来制造。
阅读下面参考所附例图给出的详细说明，本发明的其他特征与优点将会变得显而易见。这些例图为-
图1代表测量运动体方向的一套装备的一幅总体视图；-图2代表与这些天线连接的接收器的总体电路图；-图3代表该天线切换电路；-图4代表该接收器的一个数字处理通道的通用体系结构。
图1代表准备安装在(譬如说)船上用于检测该船航向的方向探测装备的通用结构。
在所述的示例中，该装置包括两个用于接收卫星定位信号的天线，为了测量航向并附带测量侧摇与纵仰，一个天线试图测量连接这些天线的中心的向量的方向，而不考虑该空间运动体的其他方向。但本发明也适用于3个不成一行排列的天线的情况，这样可以全面测定沿3根轴的方向。
两个天线10与12被安装在一个带有塑料罩或天线屏蔽器的公用外壳14中；这个外壳由一个公用支柱15支承，而且天线的中心A与B相隔一个已知距离D。该支柱(如果没有支柱则指该外壳)要被固定在该船之上，支柱上标有向量AB相对于该船总体轴线的方向基准标记，这样，就可以从这一向量的方向来推导该船舶的航向。
举例来说，天线中心之间的距离可以为几十厘米。
用来保护这些天线的外壳还可以容纳模拟电子电路(譬如前置放大器)，正如以后将会看到的那样，它还可以容纳一个天线切换控制电路。
用通用参考数码16表示的卫星定位信号接收器包括一个无线电信号接收电路、一个模/数转换电路以及可以测量伪距离的若干数字处理电路。它的安装位置最好远离该天线以及支柱；譬如说，可以将它安装在该船的内部，而将天线支柱安装在船外。它只用一根单独的同轴电缆17(由它的屏蔽层包围的单根导线)连接到该天线支柱。
最后，一个用于计算并用于控制该接收器的装置18(它这实际上是一台带有存储器并带有运行程序的微计算机)由数字链接连接到该接收器。该计算装置被连接到多种适合各种应用场合的外围设施，如显示器20、键盘22、数据或程序阅读机/记录器24、向用户进行有线或无线传输的装置、或者连接到传输该计算结果的线路的简单输出接口。在一个“罗盘”型系统中，功能16、18、20、22、24被组合在一个单独的装置之中。
图2非常详细地表示了接收器16的通用结构体系，它的一端被连接到天线10与12，另一端被连接到计算装置18。
一个切换电路30使它可以向接收器16既传输天线10从这些卫星接收到的信号，也传输天线12接收到的信号。在所述示例中，该切换作用是周期性的，该周期是对卫星发出的信号进行调制所用的伪随机代码的发送周期的倍数。大家知道，对GPS与GLONASS系统的定位卫星的C/A代码而言，这个周期是1毫秒。对这些系统的其他代码或者对其他系统，周期可能不同。实际上，最好每2毫秒进行一次切换操作，所以该接收器就能够交替地从天线10接收信号2ms，然后在随后的2ms中从天线12接收信号，如此一直进行下去。该多路传输控制使得该切换时间与2毫秒的持续时间相比可以忽略。
由于天线离接收器很远，而且还必须补偿将这些天线连接到该接收器的同轴电缆17上可能发生的线路损失，所以切换电路30还能适应对由这些天线接收到的信号的前置放大功能。
接收器16在其输入端包括一个电路34来接收这些天线所收到的无线电信号。这个电路34执行频率转换操作，使由这些传输卫星进行相位调制的载波无线电频率降为一个较低的频率。通常，要准备将GPS系统的1575.42MHz的载波频率降低到175.42MHz，但是也可以设想其他的可能性。考虑到随后的模/数转换操作，该无线电接收电路最好包括一个自动增益控制电路，以使它能够优化其输出端发送的信号电平。
该频率转换与该模/数转换需要一些操作来产生稳定的、众所周知的、而且还可用于模/数转换之后的数字信号处理的本振频率。为易于理解，图2中画了一个与无线电接收电路34分离的时钟信号发生电路36。这个电路包括至少一个由石英加以稳定的时基，举例来说，它发送一个20MHz的基准时钟频率；它也包括频率相乘与相除的电路，除了频率转换(通常从一个1400MHz的频率转换为1575.42MHz至175.42MHz)所需的本振频率之外，这些乘除电路还发送该接收器作为整体运行所需的各种时钟频率。在所述的示例中，为了驱动该模/数转换可能需要一个100MHz的采样频率，为了使该相位调制下降到位于175.42MHz的基带可能需要一个25MHz的频率，而且在该数字信号处理电路内部还可能需要更低的100kHz、2kHz与1kHz的频率。实际上，对20MHz以上的高频，该频率综合可以在该无线电接收电路中进行，对较低频率(100MHz以下)则可以在该数字处理电路中进行。
时钟信号发生电路36控制外壳14中的切换电路30，以便以1毫秒(来自这些卫星的信号中的伪随机代码周期)的倍数作为一个周期对来源于这两个天线的信号进行多路传输。在图2中，用一个箭头表示这一命令。但是应当明白，该多路传输控制信号沿该单根同轴电缆17传播。
这里不详细描述无线电信号接收电路34，因为它可以按照常规方法来构造。
由电路34加以处理的信号经一个模/数转换器38进行转换，举例来说，该转换器运行于100MHz的频率，而且在这一情况下执行该信号的、处于中间频率175.42MHz的一个二次采样。在所述示例中，该转换是在两个位上的基本转换，即一个符号位与一个振幅位。该转换结果最好被送回该无线电接收电路来满足使该转换器以最优方式运行的自动增益控制的需要。
但是，模/数转换结果主要被传输到能确定那些可以测定这些卫星与这些天线之间伪距离的数字测量值的数字信号处理电路。这个电路实际包括N个平行通道CH1、CH2、......，每个通道处理从指定卫星接收到的信号。通道的数量通常在8至16之间。
可以回想一下，在GPS系统中每颗卫星发射一种载波频率(L1)，它一方面在相位跳变(0，π)上由该卫星特有的伪随机代码调制，该代码的位周期(“chip”)为1微秒，而它的总长度为1毫秒，另一方面又由一个更低频率(50Hz)的导航数据调制。每个数字处理通道产生一个本地载波频率与一个本地伪随机代码，而且包括多个使该本地代码与该本地载波能跟踪从相应于这一通道的某颗卫星接收到的代码与载波的电路。
计算装置18接收从这些通道发出的数字测量值，控制它们的运行(特别是跟踪电路的运行)，而且一方面计算该接收器的位置，另一方面计算向量AB的方向，它们是各通道内该代码位置与该载波相位的一个函数。
图3表示原创的切换电路30，它可以周期地、交替地先将天线10的信号施加到无线电接收电路34的输入，然后施加天线12的信号。天线10将被称为主天线。天线12将被称为副天线。对来自该主天线的信号的使用方法与对来自该副天线的信号的使用方法不同。如果多于两个天线，就会有一个主天线与几个副天线，而且该切换电路将执行循环排列以便将来自所有天线的信号顺序施加到该接收器。
每个天线的信号施加持续时间是该伪随机代码持续时间(1ms)的倍数。该持续时间最好为2毫秒。可以考虑对该主天线与该副天线采用不同的持续时间，对该主天线可以分配一个较长的持续时间(譬如3或4ms)以便支持它的卫星信号获取与跟踪功能。
切换电路30按照如下原理动作在外壳14中将主天线10与副天线12中的每一个连接到各自的前置放大器PRa与PRb。对这些前置放大器中的一个供电，但不同时对两者供电。未供电的那个放大器不传输与它连接的天线所发出的无线电信号。供电的放大器对来自相应天线的信号起前置放大器的作用。这些前置放大器的输出被链接成能够发送该前置放大信号的单独输出，而不管它来自哪个天线。
而且，这些前置放大器的供电来源于施加到将这些天线连接到该接收器的同轴电缆17的芯线上的DC电压，这个DC电压被叠加到沿该同轴电缆传播的无线电信号之上。该DC电压在接收器16内部生成，并经由它的输出，就是说经由它连接到接收器16的一侧被连接到该同轴电缆；所以在外壳14内部不需要电源，也不需要用于对这些前置放大器供电的特殊连接。同轴电缆17在下行链路方向上将来自这些天线的无线电信号送到该接收器，同时在上行链路方向上将来自该接收器的电能送到这些天线。
最后，由该接收器施加的DC电压有两种可能的电平V1与V2，它们可由在外壳14内的天线附近安装的、基于阈值的比较器加以探测，而且该基于阈值的比较器根据所探测到的电平来控制其中一个前置放大器的供电。
所以，采用能将来自这两个天线的信号传输到该接收器的单根同轴电缆17，就能够从接收器16远程对这两个天线进行供电与切换。前置放大器只牵涉很低的功率，所以相对于切换周期而言，其切换操作极为迅速。如果有3个天线，那么很明显，必须对该同轴电缆的芯线施加3个电平，而且该比较器必须被替换成一个电压电平探测器或者被替换成能区分这3个电平的基于双重阈值的比较器。
图3表示一个能适用于这一切换原理的电路图。该接收器向同轴电缆17的芯线的输出端40施加的电压电平可以在一个开关的控制下取值V1或V2(譬如说分别为3伏与9伏)，该开关则受每2毫秒就改变状态的时钟信号控制。可以在该开关与该同轴电缆芯线之间插入一个低值的电感来防止无线电信号传输到提供该电平V1与V2的电压源。
屏蔽该同轴电缆的套管在该接收器一侧以及在该切换电路一侧接地。
该同轴电缆芯线的输出端40通过一个链接电容器被连接到无线电电路34，所以该DC电压V1或V2不干扰电路34的运行。
电缆17的输入端42通过一个解耦电容器被连接到放大器AMP的输出端。该放大器AMP(可选部件)放大来自天线10的信号，也放大来自天线12的信号，这与只被分配给各自天线的前置放大器PRa与PRb不同。
电缆的一端42也最好通过一个能允许该DC电压通过、但能阻档该无线电信号的电感器连接到电压调节器REG的输入，该电压调节器不管它接收V1还是V2，都在它的输出端送出一个固定电压V0(譬如说5伏)。电压V0被用来为前置放大器PRa与PRb供电，而且也为放大器AMP供电。
施加到该调节器PEG输入端的电压V1或V2也被施加到电平探测器COMP的输入端，该电平探测器根据输入电压是V1还是V2来送出一个高或低逻辑信号。这个电平探测器可以是一个能将接收到的电压与阈值(可以为(V1+V2)/2)进行比较的、基于阈值的简单比较器。
电平探测器COMP的输出控制一个能将电压V0作为电源施加到前置放大器PRa或者PRb的开关K。而且还可以提供一些电感器来防止经由该电源供电通路造成的、任何不希望的无线电信号再次注入。
前置放大器PRa与PRb的输出通过解耦电容器进行连接，而且都被连接到放大器AMP的输入端。
所以，在主天线10发出的信号通过前置放大器PRa与放大器AMP时，不对前置放大器PRb供电，而且这些信号被施加到同轴电缆2毫秒；然后，在随后的2毫秒内，副天线12发出的信号通过前置放大器PRb与放大器AMP到达同轴电缆，而前置放大器PRa则不供电。
由于这些天线的切换就是交替为一个前置放大器供电，而将另一个供电切断，所以就可能将该接收器与该天线支柱的链接减少为一根单独的同轴电缆。这样切断电源就能保证高于60dB的天线信号的电气分离(隔离)，而不需要添加任何额外的部件，譬如不需要添加PIN二极管或场效应晶体管。
从同轴电缆17发出的信号经由电路34(图2)处理，主要是执行频率转换、带通滤波与自动增益控制。然后，这些信号被转换器38转换为数字信号。这些数字化后的采样(譬如说在两个位上进行数字化，其中一位是100MHz频率的符号位)被平行施加到所有数字处理通道CH1、CH2等等。
这些数字处理通道可以与常规接收器的通道完全一样，而且可以采用与现有芯片相同的集成电路芯片来制造，所以能使该系统的设计成本降至最低。下面将参考图4来简单地描述一个示例性通道，它可以说明本发明以何种方式使用这些通道所发出的数值。
可以回想一下，每个通道包括一个本地代码发生器来发送与特定卫星相应的一个代码、一个相关器来进行由该天线接收到的信号与该本地代码的相关性运算、以及一个跟踪回路来将该本地代码的传输开始时刻平移到一个使该相关性水平最大的位置。所以，如果该天线从与该天线所接收的信号中的代码相对应的卫星接收信号，那么该本地代码发生器便使自己与该代码同步。
每个通道还包括一个本地载波相位发生器、一个对该天线所收到的信号与该本地载波相位发生器所产生的相位进行相关性运算的相关器、以及一个使本地发生器的相位平移到能使该相关性水平最大的位置的跟踪回路。
实际上，被分为一个直接信号I与一个90°相差信号Q的天线信号既要与伪随机代码相乘，也要与本地载波相位的正弦与余弦相乘，而且这些相乘的结果被组合起来产生两个相关信号，其中一个作用于该本地代码发生器，另一个作用于该载波相位发生器，从这一意义上讲，这些代码与相位跟踪回路是相互嵌套的。而且，可能会存在几个平行运行的相关与跟踪回路，一个回路按所谓准时本地代码运行，而另一个或其他各个回路则按比该准时代码迟延与提前一个位周期或一个位周期之一部分的本地代码运行。与该提前及迟延信号的相关性以及与该准时代码的相关性被组合到一起以便更好地跟踪该本地代码；与该准时代码的相关性可被用来计算载波相位跟踪信号。这涉及基于卫星的定位接收器中的常规设计。
这种代码位置与载波相位的双重相关性结果被送到计算装置18。它们一方面被用来实现这些回路的跟踪，另一方面向计算装置18提供关于天线与相应于这个数字处理通道的卫星之间的伪距离的搜索信息。具体来讲，该伪距离一方面由所接收代码的当时位置来定义(该伪距离的粗略值)，另一方面由该载波相位来定义(精确值)。该运动体方向的精确测定依赖于这两个天线所接收到的载波相位差，对距离几十厘米的天线而言该代码位置差非常小。
在图4所述的示例中，认为每个通道接收24.58MHz的采样，该采样来自175.42MHz中间频率的(由转换器38产生的)100MHz的二次采样。这些信号被平移0.42MHz而转换成为单个边带，此后一个25MHz的采样就能够在基带(载波频率被下降到接近于0)中发送同相以及90°相差采样，记为Ibb与Qbb。对每个通道，正是这些采样要被用来与一个本地伪随机代码与一个本地载波频率(理论上为零，但实际上由于这些卫星的运动、运载该天线的运动体的运动以及该卫星振荡器与该接收器振荡器之间的偏差所引起的多普勒效应而不为零)进行相关性计算。
图4以示例方法所表示的是一方面与一个准时(punctual)P代码、另一方面与一个所谓E-L代码的常规相关性运算，该E-L代码表示比该准时代码提前与迟延一个位周期或一个位周期之一部分的代码的差。该P代码与该E-L代码由本地代码发生器50产生。该P代码(从而该E-L代码)的起始位置由第一数字相位控制振荡器NCO1确定，而NCO1的相位与频率则由来源于计算装置18的数字信号加以控制。
一个本地载波频率(它代表与所考虑通道对应的卫星的多普勒频率)由第二数字相位控制振荡器NCO2产生，同样也由计算装置18控制。这一频率驱动一个正弦与余弦计算电路52，并根据振荡器NCO2的输出相位p来确定代表这一相位的正弦与余弦值sin(p)与cos(p)。最好每10微秒发送一个正弦采样与一个余弦采样。
采样Ibb与Qbb在准时相关性回路中与该本地准时P代码相乘，在该E-L相关性回路中与该E-L代码相乘。相乘的结果在累加器54、55、56与57中进行累加，这些累加器在10微秒(累加250个25MHz的采样)后确定FIR类型滤波结果。同相，采样Ibb与90°相差采样Qbb的累加结果与该P与E-L代码相乘，对准时相关性通路分别用量值Ip与Qp标记，而对E-L差分相关性通路则用Id与Qd标记。然后，它们的每一个都与该载波相位的正弦与余弦相乘。
计算结果Ip·sin(p)、Qp·sin(p)、Ip·cos(p)与Qp·cos(p)在加法器与减法器中进行组合，并在该准时相关性通路中分别构成量值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)与Qp·cos(p)-Ip·sin(p)。类似地，在该E-L差分通路中构成量值Id·cos(p)+Qd·sin(p)与Qd·cos(p)-Id·sin(p)。
对该准时通路，组合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)与Qp·cos(p)-Ip·sin(p)分别在累加器64与65中对100个Ip与Qp采样(即对1ms的伪随机代码持续时间)进行累加。
根据该累加是对主天线10的采样进行还是对副天线12的采样进行而标记为IpA与QpA或者IpB与QpB的新数值以1kHz的频率被周期地从累加器64与65输出。
同样，对该差分通路，组合值Id·cos(p)+Qd·sin(p)与Qd·cos(p)-Id·sin(p)分别在累加器66与67中对100个Id与Qd采样进行累加，从而为该主天线产生数值IdA与QdA，为该副天线产生IdB与QdB。
所有这些数值以一个1微秒的更新周期被送到计算装置18，但是这些天线每2毫秒进行切换，所以实际上在这个示例中，两个相继的量值IpA与两个相继的量值IpB交替出现；同样，量值QpA、IdA、QdA也被相继计算两次，然后再轮到QpB、IdB、QdB被相继计算两次。
根据本发明，该代码借助于这些累加器发出的信号而被跟踪，不需要考虑它们是来源于天线A还是天线B，而且举例来说，为了做到这一点要计算如下量值。对天线10要计算(IpA·IdA+QpA·QdA)/(IpA2+|IpA·IdA+QpA·QdA|)
对天线12要计算(IpB·IdB+QpB·QdB)/(IpB2+|IpB·IdB+QpB·QdB|)这些每2毫秒交替变换一次的量值就像来自同一个天线那样接收处理。它们通过计算而被滤波，以便确定一个驱动该数字相位控制振荡器NCO1的误差信号；该振荡器的目的是在一个力图使该误差信号最小的方向上修正该伪随机代码位置，从而使该本地代码与从对应于这一通道的卫星所接收到的代码同步。但是，也可以设想只根据该主天线发出的量值来计算该误差信号。
而且，用于跟踪该第二数字振荡器NCO2的信号仅仅根据从该第一天线发出的数值IpA与QpA来计算。这个信号根据在π之内并不确定的量值arctan(QpA/IpA)来计算，而这个量值则是在该计算装置中根据累加器64与65发送这些结果IpA与QpA时的输出来确定。但是，当这些累加器在连接到该副天线后发送信号IpB与QpB的同时，该计算装置继续发送以前根据数值arctan(QpA/IpA)计算的同样的跟踪信号。该跟踪信号的计算牵涉到数值arctan(QpA/IpA)的滤波。
来自振荡器NCO2的数值输出代表(被转换到基带的)本地载波的相位，该载波则代表该接收器与该卫星之间的多普勒频率；这一相位将会与主天线10上从该卫星接收到的载波相位同步。
为了确定从这两个天线接收到的载波相位的差，该计算装置要根据从这两个天线相继接收到的数值IpA、QpA与IpB、QpB确定如下数值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]
具体地讲，这个数值(它等于定义在2π区间上的arctan[(IpB·QpA-QpB·IpA)/(IpA·IpB+QpA·QpB)]，而不像常规实施例中那样定义在π之内，该函数的第一项是该角度的正弦，第二项是余弦)代表搜索相位差。这一相位差和该卫星与这两个天线之间的无线电波通道中的差值有关。知道了该无线电信号的波长、这两个天线之间的距离、该接收器的位置(由计算装置18根据在所有通道上的测量值确定)、以及该卫星在该相同时刻的位置，就能够由此推导出一个与连接这些天线的向量AB以及垂直于该接收器/卫星轴线的平面之间的夹角有关的提示。在其他通道进行同样的计算，就能够完全测定该向量在空间中的方向。
通过控制这些相邻的相位值，就可以在一圈之外(beyond onerevolution)重构两个天线之间相位差数据的连续性。时刻N-1的相位可从时刻N的相位推算；将这个差与+π与-π进行比较，如果该结果超过π，那么就认为已经穿过了0或2π而超过一圈；然后增加或扣除2π进行校正。这一过程对噪声很敏感，所以附加一个(数字)滤波器，而且将这个滤波器输出处的相位与输入处的相位进行比较来探测并校正由于噪声引起的圈数跳变。所以要对两个天线之间的相位差进行连续的、滤波后的测量。与带有π不确定性的、测量常规相位差的传统求解结果比较，这一过程可以更加可靠地、而且更加简单地消除航向求解结果中的相位不确定性。
应当注意，通过确定2π之内的反正切来计算相位差的、符合本发明的这一方法更加便于使用，它与这两个天线有无多路传输无关。它甚至还可以加以推广来测定只具有一个单独天线的运动体的位置(不是测定取向)，而且在其中通过连续跟踪该相位数据来确定该运动体相对于已知先前位置的位置。在这种情况下，数值atan2采用量值IpB·QpA-QpB·IpA(该相位的正弦)与IpA·IpB+QpA·QpB(该相位的余弦)作为自变量来计算，其中IpA与QpA代表对该运动体的(已知的或先前计算所得的)第一位置的测量值，IpB与QpB代表对(需要确定的)第二位置的测量值。根据应用场合，由atan2计算相位差既适合于从两个天线发出的信号，也适合于从同一个天线连续接收到的信号。
应当注意，确定该问题的几何解既可以按传统方法通过连续近似来进行，也可以根据2000年4月21日的现有专利申请FR 00 05183所示的方法进行。不需要校准程序。
点B的位置是相对于点A测定的，而不是相对于独立的基准，从这个意义上讲，该方向计算是差分计算。这一测定是根据相位或在各点测得的伪距离的差来进行的。
总体而言，根据伪距离双重差分(一对卫星之间的伪距离的差)的传统概念条文，其计算原理如下-借助这些卫星的天体位置推算表在测量时刻t计算这些卫星的位置；-根据伪距离的差分测量值来确定点A与点B之间沿该卫星瞄准轴线的差分距离。这些距离可以从总体角度看作A与B之间的距离沿这些轴线的投影；这些距离是测量距离；-平行计算点A的估计位置与点B之间沿同样轴线的距离；这些距离是估计距离；这些估计位置或者可从先前进行的计算获得，或者可从估计点在以点B为中心、D为半径的圆周或球面的一部分上的分布来求得；-沿每个轴线确定该测量距离与该估计距离之间的差，这可以被称为沿这一轴线的偏差值或“新息”；-借助于代表这些卫星瞄准轴线方向的方向余弦矩阵，根据这些偏差值来计算点A的测量位置与该估计位置之间在纵向、横向与姿态方面的偏差；-将该计算偏差值加到该初始估计位置，就获得点A的一个计算位置，它或者是一个确定的位置，或者是一个为后续计算步骤所用的新的估计位置；-将点A位置的该确定值转换为希望的方向信息(特别是航向)。
应当注意，为了在以后测定方向，该接收器位置的测定十分重要，哪怕是近似的也行。这一测定的先决条件是获得卫星导航数据。这种获取是通过探测该伪随机代码开始处出现的相位跳变，并根据50Hz的数据解调来实现的。现在，这些数据调制跳变或者是在由该主天线获取期间出现，或者在由该副天线获取期间出现。对由于导航数据而引起的相位跳变的探测通常通过观察数值Ip的符号来实现，它采用在该伪随机代码的半个周期内累加组合值Ip·cos(p)+Qp·sin(p)的累加器69。
如前所述，如果在由该副天线12获取的期间内出现相位跳变，那么就必须避免计算这些天线之间的相位差。具体地讲，这一计算将会由于测量过程中间的相位跳变而出现错误。所以，也要排除在相应的4毫秒周期内的相位差测量。通过与该通道处理所确定的数据速率同步，就可以知道由于该数据调制所引起的相位跳变可能出现的时刻。该计算装置跟踪随后的变化，在任何时刻都能够知道在该主天线或者该副天线接收期间是否存在二进制数据的边界。这可以使导航数据信息得以完全重构，而不会由于这些天线的切换而丢失。
这里已经描述了一个能确定运动体方向的、价格便宜而且特别简单的接收器。该设备丝毫没有降低该导航数据的恢复质量。它可以与当代系统一道使用，譬如GPS(50Hz调制)、GLOANASS(100Hz)、WAAS/EGNOS/MSAS(500Hz)，也可以与未来的Galileo系统(伽利略系统)一道使用。在WAAS/EGNOS/MSAS信号情况下，对由这些卫星传输的信号的数据调制(天体位置推算表等等)按照500Hz进行，这是一个与这些天线的切换频率接近的频率。在这一情况下，该数据必须采用两个天线来恢复，而无需这两个天线之间的相位偏差。所以希望对每颗卫星使用两个处理通道而不是一个处理通道，每个通道都与一个天线关联。但是分配给GPS或GLONASS卫星的其他通道仍保留多路传输以便交替接收来自这两个天线的信号。
在P个天线上接收N颗卫星只需要标准的N通道接收器，而不需要一个P×N通道的接收器。
权利要求
1.一个测定运动体方向的设备，包括至少两个用于接收基于卫星的定位信号的天线(10、12)，一个用于接收并用于处理由这些天线接收到的信号的共用电路(34)，一个模/数转换电路(38)，N个数字信号处理通道(CH1、CH2、......)，每个通道包括一个用于相关性运算以及用于跟踪本地周期伪随机代码位置与本地载波相位的电路，这些通道的每一个都发送从各自卫星接收到的信号与本地代码之间的相关性测量值以便使该本地代码与本地载波能跟踪该接收到的信号，该设备还包括一个用于接收从这些通道发出的数字相关性测量值并控制该跟踪电路的计算装置(18)，该设备的特征为-天线(10、12)被安装在一个公用外壳(14)中，该外壳包含一个切换装置(30)以便将从该第一天线(10)发出的信号与从该第二天线(12)发出的信号交替引导至用于接收并用于处理该无线电信号的电路(34)；-该公用外壳(14)被用一根单独的同轴电缆(17)连接到用于接收并用于处理无线电信号的电路(34)，该同轴电缆同时传输该无线电信号、一个天线供电电压以及一个用于控制切换该天线的切换装置的周期提示；-无线电信号接收与处理电路(34)包括一个计算装置，它计算用于跟踪每个通道的代码的数字信号；-该接收与处理电路还包括一个计算装置，它计算用于跟踪每个通道载波的数字信号，这一装置仅仅根据从该第一天线接收到的信号动作；-该接收与处理电路还包括一个计算装置，它计算每个通道在该第一天线上接收到的载波与在该第二天线上接收到的载波之间的相位差，这一装置一方面根据从该第一天线接收到的信号动作，另一方面根据从该第二天线接收到的信号动作，但同时该跟踪电路仍由根据该第一天线发出的信号计算所得的载波跟踪信号来控制。
2.权利要求1中所要求的设备，其特征为，计算用于跟踪每个通道代码的信号的装置根据从这两个天线发出的信号动作，而与天线的切换无关。
3.权利要求1或2所要求的设备，其特征为，计算该载波跟踪信号的装置包括在接收来自该第一天线(10)的信号期间确定第一数值IpA与QpA的装置，这些数值分别代表在等于该伪随机代码持续时间的一个时间段结束时的同相与90°相差相关性结果，以及在接收来自该第二天线(12)的信号期间确定相应的第二数值IpB与QpB，还包括计算数值arctan(QpA/IpA)的装置，该数值可在接收来自这两个天线的信号期间用来确定载波相位跟踪信号。
4.权利要求3中所要求的设备，其特征为，该计算相位差的装置包括计算数值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]的装置，该数值代表这两个天线从同一颗卫星接收到的信号之间的相位差。
5.权利要求1至4中的一款所要求的设备，其特征为，该天线切换电路(30)包括一个将DC电压的两个电平(V1、V2)施加到链接的输出端(40)的装置，这些电平被叠加到经过这一链接传播的无线电信号之上；一个用于在这一链接的输入端(42)探测该电压电平的电压电平探测器(COMP)；一个由该电平探测器控制的开关(K)，它根据所探测到的电压电平将从该链接上存在的DC电压发出的一个供电电压(V0)引导至连接到该第一天线(10)的第一天线信号放大器(PRA)，或者引导至连接到该第二天线(12)的第二天线信号放大器(PRB)，这两个放大器的输出都被连接到该链接的输入端(42)，以便根据施加到该链接输出端的DC电压电平来将从该第一天线发出的信号或者从该第二天线发出的信号传输到该链接的输出端(40)。
6.前述权利要求中任一项所要求的设备，其特征为，该天线切换装置(30)的一个动作周期是该伪随机代码周期的倍数。
7.一个根据卫星信号测定运动体方向的处理方法，该信号包括一个由伪随机代码进行编码的载波频率，在该方法中执行的步骤包括产生一个本地代码以及一个载波；在等于该伪随机代码持续时间的倍数的一个时间段内接收从第一天线(10)发出的一个信号；在这个时间段结束时计算可以产生本地载波相位跟踪命令的第一数值(IpA，QpA)，并实际利用这个命令作为载波相位跟踪信号；此后在等于该伪随机代码持续时间的倍数的一个时间段内接收从第二天线(12)发出的一个信号；还在这一时间段结束时计算第二数值(IpB，QpB)，该第二数值可以产生能够用于该第二天线载波相位跟踪的跟踪命令，但是这一时间段结束时继续利用该第一数值来确定该载波相位跟踪信号；以及利用该第一与第二数值的组合来计算这两个天线之间的载波相移，并利用这一相移来计算该运动体的方向，这一处理方法的特征在于-该第一数值是数值IpA与QpA，它们分别代表接收来自该第一天线的信号期间在等于该伪随机代码持续时间的时间段结束时的同相与90°相差相关性结果，而且该第二数值是在接收来自该第二天线的信号期间的相应值IpB与QpB，-计算一个数值arctan(QpA/IpA)，并在使用任何一个天线时将其用作载波相位跟踪命令，-以及计算一个数值atan2[(IpB·QpA-QpB·IpA)，(IpA·IpB+QpA·QpB)]，它代表这两个天线从同一颗卫星接收到的信号之间的相位差，这个相位差被用来计算连接这两个天线的向量的方向。
全文摘要
本发明涉及借助GPS信号来测定运动体的方向。根据本发明，提供了一个接收器(16)，它包括用于对从几个天线(10、12)发出的信号进行数字处理的一个单独通道组件，这些信号经由一个单独链接(17)到达该接收器，该链接也被用来为该天线前置放大器供电并为至少两个天线进行多路传输。用于对卫星信号进行数字处理的这些通道利用来自这些天线的信号以便执行对本地伪随机代码的跟踪，但仅仅利用从主天线(10)发出的信号来执行对本地载波相位的跟踪。这些天线之间的信号的相移可被用来测定连接这些相对位置已知的天线的向量的方向，该相移可以由能在任何GPS接收器中常规确定用于跟踪相位与载波回路的信号的那些数字相关值来计算。特别适用于测定一艘船的航向。能够用于任何类型的载体，包括步行者、地面车辆、船只、飞机。
文档编号G01S5/14GK1463366SQ02802000
公开日2003年12月24日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年4月6日
发明者米歇尔·普里乌, 达尼埃尔·布拉索, 贝特朗·凯梅内, 斯特凡娜·罗莱 申请人:塔莱斯公司