专利名称：包括数字通信子系统的gnss接收器和天线系统的制作方法
包括数字通信子系统的GNSS接收器和天线系统
背景技术：
在某些环境下，天线相对于GNSS接收器远程设置。天线例如可设置在具有清晰的天空视野的区域或者相对没有多径源的区域中。为了确保接收器的正常性能，天线所接收的卫星信号通过长距离比较昂贵的射频(RF)电缆传递给GNSS接收器，所述电缆对于受关注频率具有已知的传输延迟。然后，接收器利用信号根据所接收卫星信号中的一个或多个载波和/或码的相位来确定位置。
发明内容
将信号从天线结构传送给远程GNSS接收器的GNSS接收器和天线系统包括数字通信子系统，它利用高速数字通信导体、如高速数字串行链路电缆和在天线端的适当连接器；以及RF-数字信号转换器，它产生保存GNSS卫星信号中包含的频率以及载波和码相位信息的数字信号。在接收器端，该系统包括适当的连接器以及必要时的数字-RF信号转换器。因此，天线结构与远程GNSS接收器之间的长距离可采用工作在充分高的速度的较低成本的数字通信导体来制作。此外，来自其它装置、诸如(例如)惯性传感器、其它卫星或者基于地面的测距装置、传感器的信号和/或差分GNSS校正信号等可类似地由系统转换成数字信号，并且通过相同的高速数字通信导体传送给GNSS接收器，而没有必要的相对定时信息或其它信号信息的损失。 数字通信子系统按照适当的通信协议、如以太网来格式转换数字通信，添加报头等，所述报头等在必要时标识信号中包含的信息源和/或信息的类型。该系统还包括使相应转换器的本地振荡器的频率同步的机制(mechanism)，使得任何频移在本质上被消除或者是已知的，因而可在GNSS接收器的跟踪软件中进行补偿或抵消(offset)。备选地，转换器中的本地振荡器可按照在GNSS接收器的控制下的振荡器进行工作。
在天线端或天线结构的转换器可产生中频信号，它作为适当格式转换的数字信号通过数字通信导体发送。GNSS接收器则可在其获取和跟踪操作中直接地、即无需进一步转换地使用中频信号。
下文的本发明描述参照附图，附图包括 图1是根据本发明构造的系统的原理框图； 图2是根据本发明构造的备选系统的原理框图； 图3是根据本发明构造的备选系统的原理框图； 图4是根据本发明构造的备选系统的原理框图； 图5是根据本发明构造的备选系统的原理框图； 图6是根据本发明构造的备选系统的原理框图； 图7是图1的系统的更详细原理框图； 图8是根据本发明构造的备选系统的原理框图；以及
图9是其中根据本发明构造的系统可进行工作的环境的更详细原理框图。
具体实施例方式
下面将按照以太网传输协议以及关联的连接器和通信导体的使用来描述系统。该系统不要求使用以太网协议，而是可使用其它数字通信机制并且使用其它高速数字通信导体、如高速数字串行链路电缆来构造。此外，如本文所述，信号格式转换成在信号报头和/或作为信号有效载荷的部分包括根据频率来标识信号和/或将信号标识为来自特定源(如特定天线、各种发射器(例如信标、传感器、基于地面的测距装置、其它卫星等))的信息。作为替代或补充，信号可格式转换成提供与信号的类型相关的信息，例如温度读数等。
图1示出包括数字通信子系统110的GNSS接收器和天线系统100，数字通信子系统110利用高速数字通信导体18在GNSS天线结构12与GNSS接收器24之间传送所接收的GNSS卫星信号。采取保存频率以及载波和码相位信息的数字传输信号的形式来传送信号。 天线结构12接收卫星信号，并且通过短距离的常规RF电缆14向RF-以太网转换器16提供信号。转换器将RF信号转换成数字信号，并且将其格式转换，以便通过高速数字通信导体传输。数字通信导体可以是Cat5绞合铜导体、光纤导体、高速串行链路电缆等。
天线结构12可包括用于接收例如GPS、GLONAS、伽利略、罗盘和其它测距信号的多个天线或天线单元。备选地，天线结构可配置用于特定GNSS卫星信号，例如Ll和L2GPS信号。RF-以太网转换器16将相应的卫星信号转换成保存用于全球位置计算的频率和相位信息的数字信号。转换器添加报头和其它信息，使得子系统110的接收器端可恢复相应的GNSS信号，并且将其提供给适当的GNSS接收器24。 在图1的系统中，以太网-RF转换器20从所传送信号恢复相应的GNSS卫星信号，并且通过短距离的常规RF电缆22将所恢复的信号提供给GNSS接收器24。然后，GNSS接收器24以已知方式进行操作，以便根据GNSS卫星信号的码和/或载波的相位以及接收器相对于天线结构12的位置来确定位置信息、如伪距和/或全球位置。如下面参照图7所述，可使转换器16和20中的本地振荡器同步，以便避免由于从RF到数字以及从数字到RF的转换而引起的频移对载波和码相位可能具有的不利影响。 现在参照图2，多个GNSS接收器24可连接到数字通信导体18，并因而接收数字通信子系统110所传送的信号。附图中， 一个表示为GPS接收器而一个表示为GLONAS接收器的两个GNSS接收器通过对应转换器20和21进行连接，以便接收GNSS天线结构12所提供的GNSS信号。因此，相应转换器恢复GPS和GL0NAS卫星信号，并且将信号提供给接收器。接收器以常规方式进行操作以便从所恢复的卫星信号来确定位置信息，例如伪距和/或全球位置。 现在参照图3，来自多个天线结构12的信号可由数字通信子系统110通过数字通信导体18传送。相应的RF-以太网转换器16将天线结构提供的RF信号转换成经过格式转换以便传输的数字信号。因此，转换器添加适当信息，诸如(例如)标识来自相应天线结构的信号的报头，和/或在有效载荷中包含标识相应频率的信息等。来自GNSS2天线的经转换和格式转换的信号通过短距离的数字通信导体传送，然后将这些信号包括在通过长距离的数字通信导体18到GNSS接收器24的通信中。备选地，如果两个天线结构相互充分靠近，则它们可利用同一个转换器。因此，系统100可包括对于GPS信号所优化的一个天线结构以及对于伽利略信号所优化的第二结构等。 作为数字通信子系统10的接收器端，将数字传输信号提供给多个以太网-RF转换器20。转换器20恢复相应天线结构12所接收的信号，并且将所恢复的信号提供给GNSS接收器24。 GNSS接收器以已知方式进行操作，以便根据所恢复的GNSS卫星信号以及接收器相对于相应天线结构的位置来产生位置信息。 如图4所示，GNSS接收器24可配置成直接处理数字信号，而无需转换回RF信号。相应地，RF-以太网转换器16将所接收的卫星信号转换成数字信号，并且将信号格式转换，以便通过数字通信导体18进行通信。然后，通过适当连接器(未示出)连接到数字通信导体18的GNSS接收器直接利用数字信号来恢复、获取、及跟踪载波和码，并且确定位置信息。附加天线结构和接收器(未示出)可类似地通过数字通信导体18进行通信。
转换器16可包括低噪声放大器、滤波器和下变频器，它们处理(manipulate)所接收的GNSS卫星 信号并且产生一个或多个中频(IF)信号。然后，转换器对IF信号或者在适当时对多个IF信号进行取样，并且将样本转换成数字信号，以便通过高速数字通信导体18传输。GNSS接收器24从信号恢复载波和码相位信息，并且在软件和/或固件中执行获取和跟踪操作。因此，GNSS接收器可配置为例如在通用计算机中可操作的数字信号处理器。
如图5所示，GNSS天线结构122可配置成直接地、即通过适当连接器(未示出)将其信号输出给数字通信导体18，使得不需要单独的转换器。在这种布置中，到IF的下变频、取样和A/D转换的RF前端操作在天线结构内执行。备选地，天线结构可包括滤波器、取样器和A/D转换器，A/D转换器在RF频率对信号进行操作，使得在子系统110的接收器端根据需要来产生IF信号。图4的GNSS接收器24和图5的GNSS天线结构12的组合可用于系统100中，如图6所示，使得无需单独的转换器。 现在参照图7，如果转换器16和20在数字通信导体18的两端使用，则必须注意使RF-数字下变频的频率与数字-RF上变频同步，以便避免或者至少校准提供给GNSS接收器的信号因转换器的本地振荡器的差异引起的频移。虽然信号的频移通常不是问题，但是偏移必须在接收器跟踪软件中解决，以便避免关联的定位误差。因此，转换器16和20中的本地振荡器17和21应当相互同步或者与外部振荡器同步。 使本地振荡器同步的一种方式是使用来自通过数字通信导体18的同步数字数据传输的时钟恢复信号。转换器16和20其中之一可充当主控，并且通过同步对本地振荡器的数据传输，经由导体18来提供定时信息。另一个或者从属转换器从所接收的同步传输恢复时钟，并且使用该时钟将其本地振荡器锁相到主转换器的本地振荡器。如附图中通过箭头19所示，接收器端的转换器20充当主控，并且向转换器16提供从其中可恢复时钟的通信。类似地，连接到导体18的任何数量的转换器中的本地振荡器可根据所传送信号中的时钟信息同步到主控本地振荡器。作为同步传输的替代或补充，数字通信系统110可采用通过数据传输的用于时钟同步的其它已知技术。 现在参照图8，当GNSS接收器24将根据世界协调时间(UTC)时标来提供精确定时信号时，可能需要使所有转换器16和20中的本地振荡器从属于GNSS接收器24控制的主振荡器28。如图8所示，主振荡器例如可以是恒温晶体振荡器(OCXO)。转换器20接收来自OCXO的频率参考信号，并且使其本地振荡器同步到OCXO。此外，转换器20向天线端的转换器16提供频率同步信息，S卩，从其中可恢复时钟的同步数据传输。然后，GNSS接收器24从所接收的数字化数据、也就是从所恢复的卫星信号来计算时间和频率偏移，并且将频率校正信号提供给0CX0。 0CX0又将转换器20中的本地振荡器驱动到已知频率，并且转换器20向转换器16提供转换器从其中可确定用于将本地振荡器锁相到主振荡器的时钟的同步传输。附加从属本地振荡器可按照相同方式与主振荡器同步。 现在参照图9， GNSS天线结构12还可接收来自其它卫星或者基于地面的发射器30的测距信号、来自信标32或基站GNSS接收器(baseGNSS receiver) 34的差分GNSS校正信号和/或来自例如惯性传感器、温度传感器、气压传感器等的发射传感器36或者共存传感器38的信号。这些信号还通过数字通信导体18提供给GNSS接收器24。在适当时，RF-以太网转换器16将信号转换成数字信号，所述数字信号保存GNSS接收器24所需的相对定时信息和其它信号信息，例如测距信号载波和码相位。转换器还采用标识信号的源和/或类型的适当报头和有效载荷来格式转换信号。作为替代或补充，传感器或其它信号可通过其它以太网连接器和/或转换器(未示出)提供给数字通信导体。GNSS接收器以已知方式使用例如惯性测量、温度、大气压力等非GNSS信息连同所接收的卫星信号来产生位置信息。
另外或者相比之下，转换器16可将非GNSS信号上变频到GNSS频率或者略微偏移的频率，并且在产生用于传输的格式转换信号之前将非GNSS信号与GNSS信号组合。在共同未决美国公布专利申请US2007/0262899中描述了用于将非GNSS信号上变频的系统，该申请被转让给相同受让人并且通过引用将其完整地结合到本文中。 如本文所述，数字通信导体可以是Cat5(双绞铜线)、Cat6、光纤电缆或者高速数字串行链路电缆。通信协议可以是以太网、USB、 FireWire、 RocketIO或者其它数字通信协议。作为替代或补充，数字通信子系统可使用时间复用从不同天线或天线单元或者不同信号源来发送信号，其中结合或者没有结合其它信号源或者类型标识信息。
权利要求
一种系统，包括适合接收GNSS信号的一个或多个GNSS天线结构；数字通信子系统，适合接收来自所述一个或多个GNSS天线结构的信号，以及产生经过格式转换以便传输并且包含载波和码相位信息的对应数字信号，所述数字通信子系统包括用于按照通信协议来传送所述数字信号的数字通信导体；以及一个或多个GNSS接收器，用于接收所传送的信号、恢复码和载波相位信息并且产生位置信息。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，所述数字通信系统还包括一个或多个RF-格式转换 数字信号转换器。
3. 如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个GNSS天线结构将所接收的GNSS信 号下变频到中频信号。
4. 如权利要求2所述的系统，还包括一个或多个转换器，用于将通过所述数字通信导 体所传送的信号转换成RF信号供所述一个或多个GNSS接收器使用。
5. 如权利要求4所述的系统，其中， 一个转换器向所述数字通信导体提供其它转换器 从其中可恢复用于同步本地振荡器的时钟信息的信号。
6. 如权利要求l所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自 一个或多个惯性传感器、温度传感器、 气压传感器的信号，以及所述数字通信子系统还适合将来自所述传感器的所述信号转换成经过格式转换以便 传送并且包括与所述信号的源或类型关联的信息的数字信号。
7. 如权利要求l所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收差分GNSS校正信号，以及 所述数字通信子系统还适合将所述校正信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源或类型关联的信息的数字信号。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自基于地面的装置或其它卫星的测距信 号，以及所述数字通信子系统还适合将所述测距信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源或类型关联的信息以及载波和码相位信息的数字信号。
9. 如权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收差分GNSS校正信号，以及 所述数字通信子系统还适合将所述校正信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源或类型关联的信息的数字信号。
10. 如权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自基于地面的装置或其它卫星的测距信 号，以及所述数字通信子系统还适合将所述测距信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源或类型关联的信息以及载波和码相位信息的数字信号。
11. 如权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自基于地面的装置或其它卫星的测距信 号，以及所述数字通信子系统还适合将所述测距信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源或类型关联的信息以及载波和码相位信息的数字信号。
12. 如权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自基于地面的装置或其它卫星的测距信 号，以及所述数字通信子系统还适合将所述测距信号转换成经过格式转换以便传输并且包括 与所述信号的源关联的信息的数字信号。
13. —种系统，包括适合接收GNSS卫星信号的一个或多个GNSS天线结构；数字通信子系统，适合接收来自所述一个或多个天线结构的信号，以及产生对应于所 述信号并且包括载波和码相位信息的格式转换数字信号，以及 用于传送所述格式转换数字信号的数字通信导体。
14. 如权利要求13所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收差分GNSS校正信号，以及 所述数字通信子系统还适合产生包括与校正信号的源或类型关联的信息的对应格式 转换数字信号。
15. 如权利要求14所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收来自 一个或多个传感器的信号，以及 所述数字通信子系统还适合产生包括与传感器信号的源或类型关联的信息的对应格 式转换数字信号。
16. 如权利要求15所述的系统，其中，所述传感器是惯性传感器、温度传感器、气压传 感器中的一个或多个。
17. 如权利要求16所述的系统，其中所述一个或多个GNSS天线结构还适合接收基于地面的或其它卫星测距信号，以及 所述数字通信子系统还适合产生包括与测距信号的源或类型关联的信息以及载波和 码相位信息的对应格式转换数字信号。
18. 如权利要求13所述的系统，其中，所述数字通信子系统还包括一个或多个RF-格式 转换数字信号转换器。
19. 如权利要求18所述的系统，其中，所述数字通信子系统还包括一个或多个格式转 换数字信号-RF转换器。
全文摘要
GNSS接收器和天线系统将信号从天线结构传送给远程GNSS接收器，并且包括利用高速数字通信导体的数字通信子系统。传输是保存GNSS卫星信号频率和/或载波和码相位信息的数字信号。系统可传送与诸如GPS、GLONAS、伽利略和罗盘卫星信号等GNSS信号对应的数字信号。另外，该系统可在适当格式转换的数字信号中通过相同的数字通信导体传送来自基于地面的发射器或其它卫星的测距信号、来自信标或基站GPS接收器的差分GNSS校正信号和/或来自例如惯性传感器、温度传感器等传送或者共存传感器的信号。数字信号在报头或有效载荷中包括相对定时以及载波和码相位信息以及在适当时包括按照源或类型来标识信号的信息，例如标识频率或者提供相应信号的天线或天线单元的信息。
文档编号G01K1/02GK101702937SQ200880018100
公开日2010年5月5日 申请日期2008年5月30日 优先权日2007年6月1日
发明者P·C·芬顿 申请人:诺瓦特尔有限公司