[发明专利]利用多个相关器延时间隔补偿多径失真的伪随机噪声测距接收机

说明书

发明的领域

本发明总的来说涉及伪随机噪声(PRN)编码信号数字接收机，例如在无源测距系统中使用的接收机，特别涉及那种已在对多径衰落敏感的通信环境中被采用的接收机。

发明的背景

美国的“全球定位系统(Global Positioning System)”(GPS)和俄罗斯的“全球导航系统(Global Navigation System)”(GLONASS)这样的无源测距系统使用户能够精确地确定纬度、经度、高度和日时。测距系统接收机一般通过译码由一组专用卫星传送的若干个精确定时的信号来实现以上目的。

例如，在GPS系统内，卫星传送的每一信号被用以表示该卫星的位置和规格化为格林尼治平时的日时的低频(一般为50Hz)数字数据所调制。每一卫星信号再被专门的高频伪随机噪声(PRN)代码所调制，这就提供了精确地确定每一卫星的视线信号传输时间的机制。

GPS系统的卫星群位于地球同步轨道上，从而使至少4个卫星处在地球任一给定位置的直接视线内。一般的PRN接收机因此接收了由这些卫星传送的几个信号组成的复合信号以及任何噪声和干扰信号。译码器或通道电路然后可以通过使该复合信号与指定给感兴趣的特定卫星的PRN代码信号的本地产生的基准型式相关(相乘)，从而来恢复传输信号中的一个信号。如果该本地产生的PRN基准信号被正确定时，则可以正确地检测该特定卫星的数字数据。

因为不同卫星传输的信号使用了具有低或零互相关功率的专门PRN代码，所以从不同卫星接收的信号也通过乘法处理自动分离。然后就可以通过利用PRN代码的相位信息准确地确定至少4个卫星的传输时间、和通过检测每一卫星的星历表和时刻数据来求得接收机的三维位置及其速度。

为了准确地确定PRN基准信号的偏移，其相对延时通常相对于输入信号而发生变化，直到确定了所得到的相关信号的最大功率电平为止。在相应于最大接收功率这一刻的时间偏移处，本地基准信号被认为与输入信号同步，可以进行距离测量。使本地产生的PRN代码信号的过早、准时和滞后型式与接收的复合信号相关的所谓延迟锁定环(DLL)跟踪系统就执行这些操作来保持每一通道中的PRN代码锁定。

因为存在这种精确地确定准确的传播时间的需要，所以PRN接收机的设计者必须面对若干问题。一个问题涉及到接收信号准确的相位和频率跟踪；另一个问题涉及到存在电离层失真时校正接收信号和本地PRN代码信号发生器之间的相对偏差。

另外，因为GPS系统依赖于通信传播的直接视线，所以任何的多径衰落都会进一步歪曲接收信号的定时计算。在理想的系统中只有一个信号，即走直达或最短路径的信号。但是，由于发射机使用非定向(广角)天线实现最大范围的覆盖和由于发射机是如此地远离接收机，所以诸如建筑物和自然表面形成物这样的周围反射物体的存在，意味着信号一般可以走多条路径。这样的多径信号将走略微不同并稍长一些的路线，因此在一个不同的时刻到达接收机。

在任一给定时刻多径信号确切的个数是相对于任一和全部反射物体的卫星和天线位置的函数。因此，在通常的情况下，可以没有、或有许多多径信号。由于多径信号经过的路程较长，所以它们将总是在直达路径信号之后的某一时刻被接收并将因反射的缘故而必然有功率损耗。这一延时等于直达路径和反射路径之间的长度差除以传播速度。

多径的存在对获得代码锁定的过程的影响在于将总是与多径信号以及与所需的直达路径信号有某些相关。

处理这一问题的一般方法是这样地来设计PRN自相关函数，使得即使在时间上与零之间的很小偏移都将导致该相关函数计算中的接近零的值。但是，实际上自相关功率随着时间偏移的增大而沿着正或负的方向线性地减小。只有当PRN代码偏移大于加或减一片(Chip)时，多径相关功率才成为零。由于载波的取样速率通常比PRN代码分片速率(Chipping rate)高得多，所以偏相关(Partial Correlation)将在子片偏移处出现。

因此，在存在多径失真时，大多数GPS接收机的精度降低，处理时间增大。在高精度的微分GPS(differential GPS)应用中尤其如此，这时伪距离多径(pseudorange multipath)将导致混进微分校正中的误差，造成大的位置偏离。

与其它误差源不同，多径一般在天线位置之间是未校正的。因此，基台和远程接收机受到不同的多径干扰，这样一来，它们之间简单的不同将不会消除由多径失真造成的误差。还有，对每一天线位置的多径进行模拟将是困难和不现实的。