预订精度的gnss参考的制作方法
【专利说明】预订精度的GNSS参考
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请涉及并要求于2012年11月13日提交的美国专利申请第13/675，186号的优先权，在此通过引用将其全文并入。
技术领域
[0003]本文描述的技术通常涉及全球导航卫星系统(GNSS)信号处理，更具体地，涉及GNSS载波相位信号处理，用于提供具有预订精度(subscribed precis1n)的GNSS位置确定。这里描述的技术呈现了预订精度的GNSS参考。
【背景技术】
[0004]全球定位系统(GPS)由美国政府运营，用于向全球所有用户提供免费的GPS定位信号。单独的GPS接收器可使用这些信号中的粗略/捕获(C/A)码来计算独立位置，该独立位置具有典型的大约5米的精确度，或者在利用WAAS的情况下具有大约2米的精确度。这种精度等级对于包括大多数导航应用在内的许多应用而言是足够的。但是，存在诸如勘测、绘制地图、机器控制和农业之类的定位应用，这种情况下需要更大精度和/或针对界外位置的(outlier posit1n)保护。
[0005]部分这些需求可以通过提供了 GPS码相校正的差分GPS系统来满足。为差分GPS操作而构造的GPS接收器可使用码相校正来计算具有典型的几十厘米到I米精确度的位置。这些精确度对于大多数定位应用而言是足够的。但是，用户无法完全确信独立或差分GPS位置的精确度，这是因为位置的完整性受到主要由多路径所引起的界外值的影响。GPS信号的多路径反射可导致取决于反射信号传播的额外距离的从几米到几十米的界外值误差。
[0006]实时动态(RTK)系统使用GPS信号的高精确载波相位测量值(measurements)来提供更佳的位置精确度和高度完整性。为RTK操作而构造的漫游器(rover)GPS接收器可确定精确度大约为I厘米到几十厘米的相对位置。这些位置具有高度完整性。与该位置相对应的任意测量值包含大的多路径误差的可能性非常小。现有的GPSRTK服务向用户收费提供RTK载波相位测量值，这种费用的大部分是由用于提供该系统的固定设施成本除以用户数量来计算的。但是，一些用户需要比独立GNSS精度更高的精度，但是不需要RTK系统的厘米级精度。一些用户需要基于RTK定位的完整性，但是不需要基于RTK定位提供的最大精确度。
[0007]Bird的美国专利7，292，183通过以下方式部分地解决了这种需求:在将参考载波相位发送之前对它们进行抖动(故意改变)，从而提供了降级的漫游器精确度的RTK参考载波相位数据。该抖动通过不可逆的处理完成，从而利用预先降级的载波相位来确保漫游器的用户根本无法获得可能获得的高精确度的位置。7，292，183的一方面是参考数据向所有GPS漫游器提供相同的选定定位精度。
【发明内容】
[0008]本公开描述了一种GNSS参考设备和GNSS漫游器，用于通过提供选择性可逆(reversible)的加密故意误差(keyed intent1nal error)来为多个GNSS漫游器提供多种预订的定位精度。
[0009]本系统的加密故意误差利用机密误差密匙而在GNSS漫游器处选择性地可逆。GNSS漫游器无需针对篡改(tampering)来进行保护以防止未授权用户反转(reverse)加密故意误差。GNSS参考设备基于根据与一个或多个机密误差密匙相关联的一个或多个加密故意误差序列的参考错误位置来提供GNSS位置确定参考数据。GNSS位置确定参考数据可用单个GNSS参考数据流来运载。无需对GNSS卫星所广播的GNSS信号做出任何改变或进行任何控制就获得了 GNSS漫游器位置的预订精度。无需对GNSS卫星所广播的GNSS卫星定位信息的参数进行改变或添加误差就获得了 GNSS漫游器位置的预订精度。无需抖动(添加变化至)GNSS卫星的星历Gphemeris)参数或时钟就获得了 GNSS漫游器位置的预订的选择性位置。使得对机密误差密匙的特定集合具有机密访问权的GNSS漫游器能够确定具有预订精度的预订的漫游器位置，取决于GNSS漫游器对其具有机密访问权的机密误差密匙的特定集合，该预订精度具有可以比参考错误位置的误差水平更佳、但是不如真实GNSS参考位置的固有误差水平好的误差水平。
【附图说明】
[0010]图1是用于通过故意地对高精度的GNSS参考数据进行降级来提供预订定位精度的具有GNSS参考设备和GNSS漫游器的GNSS定位系统的示意图。
[0011]图1A和图1B分别是GNSS参考设备和GNSS漫游器的框图。
[0012]图2是用于提供一个或多个预订精度的GNSS参考设备的框图。
[0013]图3是GNSS参考设备的向量误差编码器的框图。
[0014]图4是系统的加密故意误差的示例性图解。
[0015]图4A是系统的预订精度的示例性表格。
[0016]图5是用于确定预订精度的GNSS漫游器的框图。
[0017]图6是GNSS漫游器的向量误差反转器的框图。
[0018]图7是GNSS漫游器中的向量误差编码器的框图。
[0019]图8是将加密故意误差添加到参考位置以提供预订精度的GNSS参考数据的GNSS参考设备中的方法的流程图。
[0020]图9是通过将GNSS参考数据中的加密故意误差反转以提供具有预订精度的漫游器位置的GNSS漫游器中的方法的流程图。
[0021]图10A、图1OB和图1OC是针对箱形、圆柱形和球形误差区的向量误差缩放器的图解。
[0022]图1lA和图1lB是参考和漫游器机密密匙送信器的框图。
[0023]图12A和图12B是分别在GNSS漫游器和GNSS参考设备中用于对预订的机密误差密匙进行机密访问的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0024]本公开具有权利要求以及用于实现权利要求的多个实施例的详细描述。权利要求描述了本发明的范围。详细描述示出了用于实现权利要求的发明的实施例，但是其并非是穷举的。对于本领域技术人员显而易见的是，这里描述的实施例的许多其他变形、修改和等价在这些权利要求的范围内。依据全球定位系统(GPS)或通用全球导航卫星系统(GNSS)来撰写实施例。GNSS可以是全球定位系统(GPS)、全球轨道导航系统(GLONASS)、伽利略系统、中国北斗(Compass)系统、其他类似系统或这些系统的结合。应当注意，伪卫星可用于替代卫星来广播GNSS定位信号。在本申请中使用术语“机密”来表示私有和秘密。
[0025]图1是为各类用户提供预订精度的GNSS定位系统10的示意图。系统10包括GNSS参考设备20和一个或多个GNSS漫游器40。GNSS参考设备20和GNSS漫游器40彼此通信但是是独立的实体。GNSS参考设备20具有真实参考位置21，其具有固有精度。参考位置21基于测量或其他一些手段。通常，通过插值来根据多个GNSS参考接收器的测量位置确定参考位置21。为本文的说明目的而将与参考位置21相关联的固有误差认定为O。
[0026]GNSS参考设备20根据参考位置21和合成偏移向量22的向量和来合成参考错误位置23。合成偏移向量22是一个或多个加密故意误差(示出为示例性向量24、25和26)的向量和。对于系统10而言可存在10个或更多个加密故意误差。加密故意误差24、25和26分别被生成为通过机密误差密匙(confidential error key)而变得机密的序列。通过故意误差参数集来缩放加密故意误差24、25和26的向量的长度(大小)，其中所述参数集分别与机密误差密匙相关联。通过过滤来控制加密故意误差24、25和26的序列的向量长度分布。缩放和过滤确定了加密故意误差24、25和26的向量序列的误差区在空间中扩展(spread)的三维形状、大小和分布。加密故意误差24、25和26的序列的向量和提供了合成偏移向量22的序列的误差区扩展的三维形状、大小和分布。参考位置21和合成偏移向量22的序列的向量组合提供了参考错误位置23的序列的误差区扩展的三维形状、大小和分布O
[0027]参考设备20基于参考错误位置23向GNSS漫游器40发出具有位置确定参考数据的参考数据30。GNSS漫游器40具有不可得且对于GNSS漫游器40而言未知的实际位置41。GNSS漫游器40使用参考数据30中的位置确定信息来确定相对于参考位置21的漫游器错误位置43。漫游器错误位置43具有非(未)预订的误差向量42，其具有与合成偏移向量22相同的大小和相反的方向。漫游器错误位置43还具有普通的RTK处理产生的小的固有误差。在本公开中认为RTK处理误差为O。预订了的GNSS漫游器40可访问全部机密误差密匙，但是通常其预订赋予其对机密误差密匙的一个子集的访问。
[0028]GNSS漫游器40使用其所预订的一个或多个机密误差密匙来再现相应的一个或多个加密故意误差24、25和26的序列，从而反转(消除)加密故意误差24、25和26的错误效果。GNSS漫游器40反转一个或多个加密故意误差24、25和26以确定相对于参考位置21的预订的漫游器位置47。通过预订的漫游器位置误差向量48使得预订的漫游器位置47不同于实际漫游器位置41。预订提供了取决于未反转的加密故意误差24、25和26的预订等级的定位精度。GNSS漫游器40的用户通过与GNSS参考设备20的运营商的协议来取得针对该GNSS漫游器40的预订。
[0029]针对特定的预订精度将加密故意误差24、25和26分组为预订群组和非预订群组。示例性GNSS漫游器40A-E具有示出为41A-E的实际漫游器位置，这些漫游器位置对于用户是未知且不可得的。用户可得的位置是预订的漫游器位置47A-E。通过基于参考错误位置23来确定漫游器错误位置43A-E、并随后反转与GNSS漫游器40A-E已预订了的机密误差密匙相关联的特定的加密故意误差24、25和26，GNSS漫游器40A-E确定预订的漫游器位置47A-E。与预订的机密误差密匙相关联的特定的加密故意误差24、25和26是特定类别(class)的GNSS漫游器40A-E已预订了的预订的加密故意误差。来自GNSS漫游器40A-E的漫游器密匙(roverkey)信号34A-E和密匙消息(keymsg)信号36可使得对从GNSS参考设备20到GNSS漫游器40A-E的预订的机密误差密匙进行机密访问。
[0030]漫游器错误位置43A-E是实际漫游器位置41A-E和非预订的误差向量42的向量组合。预订的漫游器位置47A-E和实际漫游器位置41A-E之差用误差向量48A-E示出。通常，预订使得预订了的GNSS漫游器40A-E能够确定其预订的位置47A-E，该预订的位置47A-E具有介于等于参考位置21的固有精度的最佳情况与等于参考误差位置23的精度的最差情况之间的精度。
[0031]GNSS漫游器40A具有用于减去全部的加密故意误差24、25和26的机密误差密匙，以确定与实际漫游器位置41A相匹配的预订的漫游器位置47A。GNSS漫游器40B具有用于反转或减去加密故意误差26和25的机密误差密匙，以通过漫游器误差向量48B来确定不同于实际漫游器位置41B的预订的漫游器位置47B。GNSS漫游器40C具有用于减去加密故意误差26的机密误差密匙，以通过漫游器误差向量48C来确定不同于实际漫游器位置41C的预订的漫游器位置47C。GNSS漫游器40D具有用于减去加密故意误差25和24的机密误差密匙，以通过漫游器误差向量48D来确定不同于实际漫游器位置41D的预订的漫游器位置47D。GNSS漫游器40E不具有预订，并通过漫游器误差向量48E来确定不同于实际漫游器位置41E的等同于漫游器错误位置43E的预订的漫游器位置47E。
[0032]参考数据30可通过空中信号(signal over the air)、因特网上可用的网站的流媒体(streaming)或电子邮件(emailing)来发送。GNSS漫游器40被构造为接收GNSS位置确定参考数据30并使用该数据来确定漫游器错误位置43。参考数据30是非机密的并且对于构造为接收信号的任何GNSS漫游器40是可得的。但是只有预订了机密误差密匙的GNSS漫游器40能够反转(消除)部分或全部的加密故意误差24、25和26以确定预订的漫游器位置47。帧信号(frame signal) 32使从GNSS参考设备20到GNSS漫游器40的GNSS位置确定参考数据30的通信同步。
[0033]GNSS参考设备20包括至少一个GNSS参考接收器，其用于从GNSS卫星16接收GNSS信号14。各GNSS漫游器40也从GNSS卫星16接收GNSS信号14。参考设备20测量GNSS信号14的载波相位。各GNSS漫游器40针对相同的GNSS信号14测量出不同的载波相位，因为各GNSS漫游器40位于不同的位置。在系统10中，GNSS参考设备20通过推理其所测量的载波相位来将错误载波相位合成为参考错误位置23。各GNSS漫游器40通过将相同GNSS卫星16的GNSS信号14的参考载波相位和漫游器载波相位进行双差分来确定它们的漫游器错误位置43。然后，各GNSS漫游器40应用其可机密访问的特定的机密误差密匙以反转加密故意误差24、25和26的相应集，从而确定预订的漫游器位置47。
[0034]来自GNSS设备20的GNSS位置确定参考数据30提供参考位置21和可推理出参考错误位置23的合成参考载波相位。GNSS漫游器40使用参考位置21和合成(推理出的)参考载波相位来确定漫游器错误位置43。合成参考载波相位和漫游器载波相位测量值之间的比较产生了对GNSS漫游器40与GPS卫星16之间的正交距离向量的估计值。来自多个GPS卫星16的测量值产生了多个正交距离向量的估计值和GNSS漫游器40的漫游器错误位置43。
[0035]系统10可实现为基于实时动态(RTK)全球定位系统(GNSS)的系统。GNSS参考设备20包括一个RTK GNSS参考接收器或多个具有在参考位置21处的GNSS参考接收器效果的RTK GNSS参考信号接收器50的网络。参考位置21的固有精度可能具有几毫米到几厘米的最大误差。GNSS漫游器40具有用于测量在漫游器位置41处的漫游器载波相位的RTKGNSS接收器。示例性的RTK GNSS系统在Nicholas C.Talbot等人的标题为“centi