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申请/专利权人：泰勒斯公司

摘要：本发明涉及用于排除卫星导航系统中的多径的多天线装置及相关方法。一种通过定位装置来估算源自卫星发射的无线电定位信号的有用信号和多径信号的参数的方法，所述定位装置包括至少两个能够接收所述信号的传感器，所述方法包括以下步骤：通过相关器将所述传感器接收的信号与本地码相关，为每个传感器构建使接收信号与本地码互相关的采样互相关函数，基于在前一步骤中为每个传感器获得的互相关函数的串联来确定时空互相关函数，通过应用最大似然算法来估算代表有用信号和多径信号的参数，所述代表参数包括为每个传感器独立估算的至少一个复振幅。

主权项：1.一种通过定位装置来估算源自卫星发射的无线电定位信号的有用信号和多径信号的参数的方法，所述定位装置包括至少两个能够接收所述信号的传感器，所述传感器中的每一个连接到用于处理信号的至少两条处理线，每条处理线包括相关器C11，C12和至少一个延迟线R11m，所述延迟线R11m能够引入对应于相关器的积分持续时间的倍数的延迟，所述方法包括以下步骤：通过相关器将由所述传感器接收的信号与本地码相关401，对于每个传感器，为各种后相关时刻构建402使接收信号与本地码互相关的采样互相关函数，基于在前一步骤中对于每个传感器获得的互相关函数的串联来确定403时空互相关函数，对于每个多径信号和有用信号，迭代地执行以下子步骤：从时空互相关函数中减去404在先前迭代中估算的信号的一个参数模型或多个参数模型，通过应用以下子步骤，将最大似然算法应用于先前减法的结果来估算405代表多径信号或有用信号的参数：通过联合利用所有传感器来估算信号的到达方向，通过利用估算的到达方向，对于每个传感器独立估算信号的复振幅，将估算的复振幅投影到由估算的到达方向限定的子空间上，从而在复振幅的独立估算中保持与在前一步骤中估算的到达方向相对应的分量。

全文数据：用于排除卫星导航系统中的多径的多天线装置及相关方法技术领域本发明的领域涉及卫星导航系统，更具体地，涉及基于计算由卫星发射的信号的传播时间的无线电定位装置。背景技术这里，通过“卫星导航系统”来表示致力于广域导航的任何系统，例如称为GPS、GLONASS或GALILEO的现有GNSS“全球导航卫星系统”系统，及其所有等同形式和衍生形式。本领域技术人员非常了解卫星导航系统的定位原理。将由卫星发射的射频信号编码，并且利用该信号到达要定位的接收器所花费的时间来确定该卫星与该接收器之间的距离，该距离称为伪距离。卫星导航系统的精度受到一定数量的误差的影响。这些误差可分为两类：全局贡献和局部贡献。可以引用全局贡献为与电磁波通过电离层的通道有关的误差以及与卫星有关的误差轨道误差和时钟误差。关于局部贡献，可以引用为与电磁波通过对流层的通道有关的误差、信号反射误差、与干扰有关的误差、由于白色区域以及接收器的噪声引起的误差。在如图1所示的城市环境中，无线电定位装置尤其受到城市障碍物例如，建筑物外墙上的信号反射现象的影响。图1示出了在城市环境中行驶的汽车以及发射无线电定位信号的卫星。有用信号LOS的多径MPmulti-path构成了用于定位的主要缺陷。实际上，多径信号MP向信号传播时间的估算引入了偏差，从而导致接收器位置误差。能够去除或估算这些多径从而提高定位装置的位置精度是很重要的。国际专利申请WO2012025306描述了一种卫星无线电导航信号接收装置，其能够估算并去除影响接收信号的多径。这种装置包括多个天线或传感器以及多个相关器。该解决方案的缺点在于，其实施用于估算多径信号的参数的方法，该方法假设装置的所有传感器都是相同的，并且特别假设所有传感器都表现出相同的方向图。然而，实际上不满足该特征，相反，特别是由于耦合现象，方向图是不同的。不考虑这些差异可能导致上述专利申请中描述的解决方案不可操作。本发明提出对申请WO2012025306中描述的方法和装置的优化，从而考虑接收装置的各种天线的方向图的差异。发明内容因此，本发明的一个主题是一种通过定位装置来估算源自卫星发射的无线电定位信号的有用信号和多径信号的参数的方法，所述定位装置包括至少两个能够接收所述信号的传感器，所述传感器中的每一个连接到用于处理信号的至少两条处理线，每条处理线包括相关器和至少一个延迟线，所述延迟线能够引入对应于相关器的积分持续时间的倍数的延迟，所述方法包括以下步骤：通过相关器将所述传感器接收的信号与本地码相关，对于每个传感器，为各种后相关时刻构建使接收的信号与本地码互相关的采样互相关函数，基于在前一步骤中对于每个传感器获得的互相关函数的串联来确定时空互相关函数，对于每个多径信号和有用信号，迭代地执行以下子步骤：从时空互相关函数中减去在先前迭代中估算的信号的一个参数模型或多个参数模型，通过应用以下子步骤，将最大似然算法应用于先前减法的结果来估算代表多径信号或有用信号的参数：通过联合利用所有传感器来估算信号的到达方向，通过利用估算的到达方向，对于每个传感器独立地估算信号的复振幅，将估算的复振幅投影到由估算的到达方向限定的子空间上，从而在复振幅的独立估算中保持与在前一步骤中估算的到达方向相对应的分量。根据本发明的一个具体方面，所述代表参数包括传播延迟、多普勒频率和信号的到达方向。本发明的另一主题是能够区分有用信号和多径信号的定位装置，该装置包括由卫星发射的无线电定位信号的至少两个传感器，所述传感器中的每一个连接到至少两条用于处理信号的处理线，每个处理线包括相关器和至少一个延迟线，所述延迟线能够引入对应于相关器的积分持续时间的倍数的延迟，所述装置包括用于处理信号的装置，所述用于处理信号的装置配置为实现最大似然估计算法，从而根据在延迟线的输出端获得的信号来估算代表有用信号和多径信号的参数，所述代表参数包括对于每个传感器独立估算的至少一个复振幅。根据本发明的一个具体方面，第一处理线的相关器相对于第二处理线的相关器间隔扩频码的符号周期的分式fraction。根据本发明的一个具体方面，最大似然估计算法是“SAGE”类型的。附图说明通过阅读以下参考附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得更加清楚，在附图中：图1示出了在城市环境中接收卫星发出的无线电定位信号的移动设备，图2示出了根据本发明的定位装置的架构的示意图，图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f是示出了对于各种扩频码PRN，在每个接收路径上测量的相关函数的多个示意图，图4是描述根据本发明的方法的主要步骤的流程图。具体实施方式在此再次讨论申请WO2012025306中描述的定位装置的说明。根据本发明的定位装置基于先前在前述申请中描述的装置，并且相对于先前在前述申请中描述的装置提供了改进。图2描述了根据本发明的定位装置的架构。根据本发明的定位装置包括多个传感器A1、A2、An。这些传感器是基本天线，其设计用于获取由诸如GPS或伽利略Galileo系统的导航系统的卫星所发射的无线电定位信号。传感器A1、A2、An的网络使得可以通过接收的波前的空间采样来获得方向信息。定位装置还包括用于处理由传感器组A1、A2到An接收的信号的装置。信号处理线连接在每个传感器的输出处。在该部分中描述了位于传感器A1的输出端与实现最大似然算法的计算装置之间的信号处理链。在每个天线的输出处存在的频率降低的RF级和可选的模拟-数字转换器对于理解本发明没有用，这些元件未在图2中示出，读者能够将这些部件视为构成了传感器的一部分。传感器A1连接到第一线，该第一线依次包括相关器C11其由乘法器和积分器组成，然后是第一延迟线R111和第m延迟线R11m，这些延迟线并联连接。延迟线的输出端连接到可以实现最大似然算法的计算装置。相关器组使得可以获得互相关函数的估算，该互相关函数使本地码其在接收器中生成和接收的码互相关，以便能够估算各种信号的延迟。延迟线将对后相关信号以采样周期Tint进行采样，以便能够估算各种信号的多普勒频率。在相关处理之后，延迟线R111和R11m连接在积分器的输出处。这些延迟线并联设置。由每个延迟线引入的差异总是对应于相关器的积分持续时间的倍数。作为非限制性示例，第一延迟线R111不引入任何延迟，第二延迟线R112引入延迟Tint，并且第m延迟线R11m引入延迟m-1Tint。处理线可以包括并联的m个延迟线，每个延迟线间隔持续时间Tint，该持续时间Tint对应于相关器的积分持续时间。延迟线可以通过模拟或数字的任何信号处理方式设计。同样地，传感器A1连接到第二处理线，该第二处理线依次包括相对于相关器C11间隔扩频码的符号周期图2中表示为Te的持续时间的分式fraction的相关器C12，以及以与第一处理线相同的方式设置的m个延迟线R121至R12m。传感器A1可以连接到未在图2中示出的第三处理线和第四处理线，或者实际上更多的处理线。包括相关器C11和C12的处理线是相同的。更一般地，在每个天线的输出处的处理线的结构彼此相同。根据更简单的实施方案，处理线可以不包括任何延迟线。在这种情况下，相关器的输出端直接连接到实现最大似然算法的计算装置μP。定位装置包括多个传感器A1至An，并且每个传感器连接到处理线，例如先前描述的传感器A1后的处理线。传感器和包括延迟线的处理线形成多相关器时空网络。延迟线直接连接在实现最大似然算法的计算和处理装置μP的多个输入端。可以实现多种类型的最大似然算法。优选地，SAGE类型的算法处理从延迟线产生的信号，以估算接收的信号的参数特征例如，在方位角和仰角方面的入射方向、延迟、多普勒。估算这些参数使得可以区分有用信号和多径信号。最大似然算法能够处理源自根据多相关器时空架构实现的系统的信号。在本发明中，与申请WO2012025306中的假设不同，假设传感器A1、A2、An都是不同的，因此表现出不同的方向图。在图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f中示出了针对在同一时刻的各种扩频码PRN序列，对于包括四个天线的装置，通过诸如图2的装置测量的相关函数模数的示例。在图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f的六个图的每一个图中，示出了针对四个接收路径中的每一个获得的相关函数。在这些图中注意到，测量的相关函数对于每个接收路径是不同的，并且根据所使用的扩频码PRN也是不同的。从这两个图可以看出，根据信号到达方向，装置的各种天线之间的增益不同。因此，诸如在申请WO2012025306中描述的用于估算多径信号的参数的过程的应用是不可操作的，因为其导致未接收的信号虚拟地出现。实际上，该过程认为每个接收路径的天线增益是相同的。此外，图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f以“+”符号的形式标识考虑到消声室中的测量结果，天线的方向图中接收的理论水平。其中可以证实，这些水平不会覆盖所测量信号的相关峰值，并且也不会再现路径的排序。最后，该图以“*”符号的形式标识通过本发明接收的信号的估算水平。此时，在其中可以验证估算的水平与四个接收路径上接收的水平很好地对应，从而验证了本发明的贡献。现在详细说明由图2的装置接收的信号直接路径和多径的参数的计算步骤。在相同天线的输出处转换为基带的信号的表达式yt可以转换为以下形式：其中，下标“l”对应于针对同一个信号接收的路径直接路径和回波数量，数字“0”被分配给直接路径，表示根据每个信号的到达角度θ和的天线网络的方向矢量。γl表示信号的复振幅，νl表示其多普勒频率，τl表示其传播延迟，c.表示扩频码，最后b.表示在每个天线的输出处的热噪声矢量。该信号此后通过图2中所示的相关器。针对所提出的多相关器STAP架构的后相关接收的信号的表达式X可以被转换成以下矢量化形式：其中回想一下，m表示每条处理线的延迟线的数量，p表示每个天线的处理线的总数量，n表示天线的数量。bmp,Tint表示在每个天线的输出处的热噪声矢量在持续时间Tint上的积分，ψl表示针对路径“l”估算的参数矢量，并且X、Xl和bmp,Tint为m×n×p维的。路径“l”相对于直接路径的相对延迟和多普勒频移表示为τrl和νrl。相关器从属于直接路径，并且相对于下标“0”的参考路径在码中提交误差ετ正向计算延迟并且在直接路径的频率中提交误差εν。表示后相关信号的复振幅。符号.T表示矢量的转置，.H表示矢量的共轭转置，运算符表示克罗内克Kronecker积。信号的时间相关矩阵以下列方式构建：最初，多相关器输出串联成列矢量，以重构使接收的信号与本地码互相关的采样的互相关函数。为各种后相关时刻获得的这些互相关函数总是串联成列矢量，以便绘制互相关函数的时间演变。这种时间演变将能够表征回波的相对多普勒。利用r互相关函数将接收的码与其本地副本互相关。假设相对多普勒频移在处理的持续时间m.Tint内是恒定的，相对的延迟演变为：其中fc表示信号载波频率。根据图2中提出的多相关器时空架构，后相关噪声的时间自相关矩阵等于预相关本地码的矩阵并且与多普勒无关，其可以表示为：假设噪声在空间上是白噪声，后相关噪声的时空自相关矩阵可以表示为：最后，时空相关矩阵表示为即：SAGE算法的原理在于将在该组路径上接收的信号分解并且通过最大似然来估计每个路径的参数。对于所提出的架构和信号模型，路径“l”的对数似然函数的反函数oppositeΛlψl可以通过常数和乘法系数表示：其中符号^表示数量的估算。然后可以示出，使路径“l”的似然最大相当于最大化由以下等式定义的项SAGE算法的“E-步”阶段在于隔离特定路径，并且“M-步”阶段在于通过最大似然来估计路径的参数。然后循环遍历该组路径，然后迭代地循环，直到算法收敛。收敛标准通常涉及要估算的参数矢量的更新的范数。还可以添加要估算的路径的振幅的标准以将其与噪声区分开。在追随模式中用于“E-步”和“M-步”阶段的等式如下。在“E-步”阶段期间，以下列方式从接收的信号中减去在先前迭代中估算的信号的参数模型：以下列方式更新参数信号模型，以考虑在各种接收天线上可能不同的接收的信号的振幅：在后一种形式中，复振幅不再是标量，而是等于根据本发明的装置的接收路径的数量的尺寸的矢量。在“M-步”阶段期间，通过以下方式估算随后的多径信号来自L-1多径信号和有用信号的参数。首先，搜索要估算的信号的相对延迟和相对多普勒。为了减少计算负荷，最初构建利用DOA信号到达方向的估算的矢量然后最大化在前一次迭代的解的邻域中相对延迟和多普勒的似然性：此后，在各种传感器上搜索要估算的信号到达方向DOA。为了减少计算负荷，最初构建利用相对延迟和相对多普勒的估算的矢量然后最大化在前一次迭代的解的邻域中DOA的似然性：最后，通过先验地假设每个传感器的振幅不同，确定每个传感器要估算的信号的后相关复振幅。因此，执行对各种天线上的复振幅的独立估算：接下来，将得到的矢量投影到由估算的到达方向定义的子空间上：其中，运算符“·”表示逐项矢量乘积和或在最后一步中估算的复振幅不再是标量，而是根据本发明的装置的接收路径的数量的尺寸的矢量。换句话说，在复振幅的独立估算中保留与在前一步骤中估算的到达方向相对应的分量。因此，估算到达的方向是有利的。在实践中，应当理解，在接收器的处理期间不需要在运行中数字地重新计算时空相关矩阵从而不会使计算负荷过载。在最坏的情况下，可以预先计算和存储数值，或者实际上，在某些假设下，可以提出分析解决方案。例如，如果忽略根据相对多普勒的延迟的演变这相当于忽略了对于100Hz的多普勒和10ms的观测持续时间的约6.10-10s的变化并且如果项ετ-τrl是相关器之间的时间步长的倍数，那么矩阵的每个块对应于1个后相关延迟线的项减少到狄拉克Dirac乘以相位项：其中：图4以流程图示意性地示出了根据本发明的用于估算多径信号和有用信号的参数的方法的主要步骤。该方法的第一步骤401在于通过装置的相关器将由传感器接收的信号与本地码相关。该方法的第二步骤402在于为每个传感器构建采样的互相关函数，该互相关函数将接收信号与本地码互相关。该方法的第三步骤403在于基于在前一步骤中获得的每个传感器的互相关函数的串联来确定时空互相关函数。接下来，通过应用最大似然算法以迭代方式估算代表有用信号和多径信号的参数。因此，在步骤404中，在每次迭代时，从时空互相关函数中减去其代表参数已在先前迭代中估算的信号的一个参数模型或多个参数模型。接下来，在步骤405中，通过将最大似然算法应用于先前减法的结果来估算代表多径信号或有用信号的参数。该步骤405至少包括以下子步骤：通过联合利用所有传感器来估算信号的到达方向，为每个传感器独立估算信号的复振幅，将估算的复振幅投影到由估算的到达方向定义的子空间上。本发明通过考虑装置的接收路径的不同特性，可以将有用信号与多径信号区分开。通过独立估算由每个传感器接收的信号的复振幅来获得该优点。本发明适用于导航卫星星座的参考或观测地面站。本发明可用于移动终端以改进城市环境或实际上机场环境中的导航解决方案。

权利要求：1.一种通过定位装置来估算源自卫星发射的无线电定位信号的有用信号和多径信号的参数的方法，所述定位装置包括至少两个能够接收所述信号的传感器，所述传感器中的每一个连接到用于处理信号的至少两条处理线，每条处理线包括相关器C11，C12和至少一个延迟线R11m，所述延迟线R11m能够引入对应于相关器的积分持续时间的倍数的延迟，所述方法包括以下步骤：通过相关器将由所述传感器接收的信号与本地码相关401，对于每个传感器，为各种后相关时刻构建402使接收信号与本地码互相关的采样互相关函数，基于在前一步骤中对于每个传感器获得的互相关函数的串联来确定403时空互相关函数，对于每个多径信号和有用信号，迭代地执行以下子步骤：从时空互相关函数中减去404在先前迭代中估算的信号的一个参数模型或多个参数模型，通过应用以下子步骤，将最大似然算法应用于先前减法的结果来估算405代表多径信号或有用信号的参数：通过联合利用所有传感器来估算信号的到达方向，通过利用估算的到达方向，对于每个传感器独立估算信号的复振幅，将估算的复振幅投影到由估算的到达方向限定的子空间上，从而在复振幅的独立估算中保持与在前一步骤中估算的到达方向相对应的分量。2.根据权利要求1所述的通过定位装置来估算源自卫星发射的无线电定位信号的有用信号和多径信号的参数的方法，其中，所述代表参数包括传播延迟、多普勒频率和信号的到达方向。3.一种能够区分有用信号与多径信号的定位装置，该装置包括由卫星发射的无线电定位信号的至少两个传感器A1，A2，所述传感器中的每一个连接到用于处理信号的至少两条处理线，每条处理线包括相关器C11，C12和至少一个延迟线R11m，所述延迟线R11m能够引入对应于相关器的积分持续时间的倍数的延迟，所述装置包括配置为实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的用于处理信号的装置μP。4.根据权利要求3所述的能够区分有用信号与多径信号的定位装置，其中，第一处理线的相关器C11相对于第二处理线的相关器C12间隔扩频码的符号周期的分式。5.根据权利要求3或4中任一项所述的能够区分有用信号与多径信号的定位装置，其中，最大似然估计算法是“SAGE”类型的。

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