专利名称：从区域、广域或全球载波相位差分导航(wadgps)向本地实时动态(rtk)导航系统过渡时增 ...的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及与使用卫星定位和导航相关联的技术，并且更具体地说，涉 及在区域、广域或全球载波相位定位和/或导航系统中求解载波浮点模糊度。
背景技术：
全球定位系统(GPS)使用太空中的卫星定位地球上的物体。利用GPS，信号 从卫星到达GPS接收机，并用于确定GPS接收机的位置。目前，对应于具有锁 定GPS卫星信号的每个相关器信道的两种类型的GPS测量，可提供用于民用GPS 接收机。所述两种类型的GPS测量是伪距和两个载波信号Ll和L2的综合载波 相位，这两个载波信号Ll和L2分别具有频率1.5754GHz和1.2276GHz或波长 0.1903米和0.2442米。伪距测量(或代码测量)是所有类型的GPS接收机可进行 的基本的GPS可观察量。它利用调制到载波信号上的C/A或P代码。测量记录相 关代码从卫星传播到接收机所费的视时，即根据接收机时钟信号到达接收机的时 间减去根据卫星时钟信号离开卫星的时间。载波相位测量是通过综合信号到达接 收机时信号的重建载波而获得。因此，载波相位测量也是如根据卫星时钟信号离 开卫星的时间和根据接收机时钟信号到达接收机的时间所确定的转接时间差的量 度。然而，由于在接收机开始跟踪信号的载波相位时在卫星与接收机之间转接中 的初始整周数通常未知，因此，转接时间差可能有多个载波周期的误差，即，在 载波相位测量中有整周模糊度(whole-cycle ambiguity)。
在GPS测量可用时，在GPS接收机与多个卫星中的每一卫星之间的距离可 通过将信号传播时间乘以光速而计算得出。这些距离通常称为伪距(假距离)，这 是因为接收机时钟一般具有大的时间误差，导致测量的距离有常见的偏差。作为 普通导航计算的一部分求出由接收机时钟误差引起的这种常见的偏差和接收机的位置坐标。各种其它因素也可导致计算的距离中出现误差或噪声，包括星历表误 差、卫星时钟计时误差、大气效应、接收机噪声和多径误差。利用孤立gps导航， 其中具有gps接收机的用户获得相对于视野中的多个卫星的代码和/或载波相 位距离而不咨询任何参考站，用户在减少距离中出现的误差或噪声方面极为受限。
为了消除或减少这些误差，典型地在gps应用中使用差分操作。差分gps (dgps)操作典型地包括基准参考gps接收机、用户(或导航)gps接收机及在 用户与参考接收机之间的通信链路。参考接收机放在巳知位置，并且该已知位置 用于生成与一些或所有上述误差因素相关联的校正。所述校正被提供给所述用户 接收机，然后所述用户接收机使用所述校正适当地校正其计算的位置。所述校正 的形式可以是对在参考站点确定的参考接收机位置的校正或者对特定gps卫星时 钟和/或轨道的校正。使用载波相位测量的差分操作经常称为实时动态(rtk ) 定位/导航操作。
差分gps(dgps)的基本概念是利用gps测量中固有的误差的空间和时间相 关，以消除在伪距和/或载波相位测量中由这些误差因素导致的噪声因素。然而， 虽然作为在伪距或载波相位测量上的偏差出现的gps卫星时钟计时误差在参考接 收机与用户接收机之间优选是相关的，但大多数其它误差因素是不相关的，或者 在广域应用中，即当在参考接收机与用户接收机之间的距离变大时，所述相关会 消除。
为克服在广域应用中dgps系统的不准确性，开发了各种区域、广域或全球 dgps (以下称为广域dgps或wadgps)技术。wadgps包括与计算中心通信 的多个参考站的网络。基于参考站的已知位置和由它们进行的测量，误差校正在 中心被计算出。所述计算出的误差校正随后通过诸如卫星、电话或无线电的通信 链路传送到用户。通过使用多个参考站，wadgps提供更准确估计的所述误差校 正。
因此，已开发多种不同的技术以使用gps载波相位测量获得高准确度的差分 导航。所述的rtk技术具有约1厘米的典型准确度。然而为获得该准确度，必须 确定所述差分载波相位测量中的整周模糊度。当在用户接收机与参考接收机之间 的距离(基线距离)短时，rtk技术非常有利，因为在这种情况下可准确和快速 地求解整周模糊度。另一方面，当所述基线距离超过几十千米时，可能无法确定 所述整周模糊度，普通的rtk准确度无法实现。所述rtk技术的另一个限制是它 需要在参考接收机与导航接收机之间维持本地无线电链路。采用载波相位差分方法的WADGPS技术也可实现很高的导航准确度。所述 WADGPS差分技术的特征还在于可靠的长距离低频率通信链路或可靠的卫星通信 链路。因此，校正一般可传递到导航接收机而无大的中断。然而，所述WADGPS技 术通常将整周模糊度视为实值(非整数)变量，并求出"浮点模糊度"，在获得经过 大的卫星几何变化的时间间隔的测量数据前，所述浮点模糊度的定义通常很差。 因此，在WADGPS应用中，求出"浮点模糊度"经常需要长达l或2小时时间间隔 以产生导航位置的少于10厘米的准确度。
采用本地定位系统能够也可以获得准确度定位(<lcm)。常规的本地定位系统 利用有源或无源元件，包括声波和激光测距系统，例如，基于信号的飞行时间和/ 或多普勒频移。声波系统典型地使用地标和/或应答信标来测量网络内的装置的距 离，所述装置中的一些被固定以形成本地坐标系。不幸地，由于声传播穿过空气 的特性，声波系统只能够测量距离具有l厘米或更高准确度，并只能是相对短的 距离。基于激光的本地定位系统利用装置与诸如棱镜的一个或多个反射物体之间 的角度和距离的测量，以三角测量或三边测量所述装置的位置。基于激光的本地 定位系统的有效的操作范围也典型地被限制在相对短的距离(约1000-10,000米)。
发明内容
本发明包括一种用于组合使用RTK和WADGPS导航技术的方法，以便可通 过另一技术的优点补充每个技术的弱点。WADGPS技术的主要不足之处在于导航 接收机花费长的经过时间(经常超过l小时)确定将载波相位测量转换成准确的 距离测量所需的浮点模糊度值。RTK技术的主要不足之处在于它需要在用户GPS 接收机与参考GPS接收机之间的实时(通常为直线对传)数据链路，并且整周模 糊度只可当在参考GPS接收机与用户GPS接收机之间的间距相对较短时确定。
通过使用根据本发明一个实施例的用于组合使用RTK和WADGPS导航技术 的方法，可消除这些各自的不足之处。该方法包括使用用户接收机的己知位置在 WADGPS系统中初始化浮点模糊度值。当用户接收机已固定时，用户接收机的已 知位置可以是测量的位置或从先前操作获得的位置。当用户接收机在移动时，可 使用RTK系统获得所述已知位置。
因此，在组合操作中，当用于本地定位系统和/或RTK导航的通信链路可用时， 可使用所述本地定位系统和/或所述RTK系统获得所述用户接收机的位置、速度和 时间(PVT)输出，而WADGPS系统在后台运行，并且其输出不断被初始化以与 来自所述RTK系统的输出一致。当用于所述本地定位系统的通信链路丢失时，可使用所述RTK系统和/或所述WADGPS系统获得所述用户接收机的所述PVT输 出，在所述本地定位系统操作的同时该系统已被初始化。当用于所述RTK导航的 通信链路丢失时，或者当用户接收机偏离所述RTK系统中的参考站太远时，可使 用所述WADGPS系统获得所述用户接收机的所述PVT输出，在所述RTK操作的 同时该系统己被初始化。初始化避免了当用户GPS接收机的位置未知时求出浮点 模糊度值所需的一般15分钟到2个小时的"捕捉(Pull-in)"时间。这在本地定位系 统和/或RTK系统不可用或不准确时从WADGPS系统提供了很准确的PVT解，并 且使WADGPS技术对实时高准确度定位和导航用途更实用。
图l是根据本发明一个实施例的WADGPS系统、本地定位系统和本地RTK 系统的组合的方框图2是藕合到用户GPS接收机的计算机系统方框图3A是表示用于组合使用WADGPS系统、本地RTK系统和/或本地定位系 统的方法的流程图3B是表示用于使用本地RTK系统更新接收机位置的方法的流程图4A是表示使用WADGPS系统和本地RTK系统两者的组合操作的进程流 的流程图4 B是表示使用本地定位系统、本地RTK系统和/或WADGPS系统的进程 流的流程图4C是表示使用具有本地定位系统和/或本地RTK系统的WADGPS系统的 进程流的流程图5是表示可使用组合操作的情况的图。
具体实施方案
图l表示根据本发明一个实施例的广域或全球差分GPS (WADGPS)系统 100。如图1所示，WADGPS系统100包括参考站120的网络和一个或多个处理中 心105，每个参考站具有GPS接收机122。参考站120不断将原始GPS可观察量 提供到中心105进行处理。这些可观察量包括GPS代码和载波相位测量、星历表 及在参考站120根据从多个卫星IIO接收的信号获得的其它信息。对于广域DGPS系统，参考站120位于跨诸如大陆的广域101的已知位置，或对于全球DGPS网 络，参考站120位于跨全球的已知位置。中心105是处理GPS可观察量和计算 DGPS校正的设施。如果提供了多个独立的中心，则优选是它们在地理上分开且 平行操作。
所述WADGPS系统100可由一个或多个用户(或用户装置或物体)140利用， 每个用户具有用于定位和/或导航用途的用户GPS接收机142。在本发明的一个 实施例中，用户140通过RTK无线电链路与附近的参考站120相关联，使得用户 接收机142和附近的参考站120形成本地RTK系统150。在一些实施例中，所述 用户140也可以与具有一个或多个地标176的本地定位系统174相关联。所述一 个或多个地标176可以是有源的或无源的。每一所述一个或多个地标176可以具 有GPS接收机122。
系统IOO还包括常规数据链路(未表示)，用于为将GPS可观察量从参考站 120发送到中心105并且为将计算得出的校正从中心105广播到参考站120和用户 140提供可靠的传输机制。大陆WADGPS系统通常具有大约3-10个参考接收机， 而全球WADGPS系统通常具有大约20-100个参考接收机，以将数据反馈至所述 中心105 。在本发明的一个实施例中，所述GPS可观察量从参考站120经因特网 发送到中心105，并且也经因特网将计算出的校正从所述中心发送到一个或多个地 面站(未表示)以上行传输到一个或多个卫星(未表示)，然后，卫呈广播计算出 的校正以由参考站120和用户接收机142接收。
在本发明的一个实施例中，用户或物体140还配有耦合到用户GPS接收机142 的计算机系统144。如图2所示，计算机系统144包括中央处理器(CPU)146、存 储器148、 一个或多个输入端口 154、 一个或多个辅助接收机155、 一个或多个输 出端口 156及(任选地)用户接口 158，通过一个或多个通信总线152彼此藕合。 所述存储器148可包括高速随机存取存储器，并可包括非易失性海量储存器，诸 如一个或多个磁盘存储装置或闪存装置。
存储器148优选存储操作系统162、 GPS应用程序164和数据库170。如下面 更详细描述的一样，GPS应用程序164可包括用于执行用于组合使用本地定位系 统174、本地RTK系统150禾[l/或WADGPS系统160的方法300的程序166。存储 在存储器148中的操作系统162和应用程序164用于由计算机系统144的CPU146 执行。存储器148优选还存储在GPS应用程序164执行期间使用的数据结构，包 括GPS伪距和载波相位测量168、从所述中心接收的GPS校正172及在本文档中 论述的其它数据结构。输入端口 154用于接收来自GPS接收机142的数据，至少一个辅助接收机155 用于经无线电链路124接收来自本地定位系统174或本地RTK系统150中的参考 站或地标120的信息，以及用于经卫星链路107接收来自中心105的GPS校正和 其它信息。输出端口 156用于经无线电链路124或声波或激光装置(未示出)将 数据输出到参考站或地标120。在本发明的一个实施例中，计算机系统144的 CPU146和存储器148与GPS接收机142集成位于单个外壳内的单个装置，如图2 所示。然而，此集成不是执行本发明的方法所必需的。
因此，用户或物体140可同时或在不同时间参与三种不同的操作模式。用户 或物体140可在WADGPS模式操作，在该模式中，用户或物体140使用WADGPS 系统100为自身定位或导航，可在RTK模式操作，在该模式中，用户或物体140 使用本地RTK系统150为自身定位或导航，和/或可在本地定位模式操作，在该模 式中，用户或物体140使用本地定位系统174为自身定位或导航。当用户或物体 140接近与其相关联的一个或多个地标176并且在所述用户或物体140与所述一个 或多个地标176之间的无线电链路可维持时，所述用户可使用所述一个或多个地 标176确定自身相对所述一个或多个地标176的位置。当所述用户或物体140接 近与其相关联的参考站120并且在所述用户或物体140与所述参考站120之间的 无线电链路可维持时，所述用户可使用本地RTK系统150确定自身相对于所述参 考站120的位置。所述本地定位系统174和本地RTK系统150比WADGPS系统 100更有利，这表现在它更准确并且所述整周整数模糊度可被迅速求解，如下所述。
使用本地RTK系统150，当相对于在参考GPS接收机122和相关联用户GPS 接收机142的视野中的"个卫星110进行测量时，测量可用于根据以下阵列格式 的方程式求出用户或物体140的位置
其中，vcd=[v^ v么…v么:r是由相对于"个卫星uo中每个卫星的差分载
波相位测量形成的载波相位测量向量；N = t w2 w";r是由与载波相位测
量向量中每个差分载波相r位测量相关联的差分整数模糊度形成的整数模糊度向
M;H = [h' h2 h ;f是由从用户或物体140到"个卫星110的单位向量形成
的测量灵敏度矩阵；x是实未知状态向量(或实向量)，包括本地RTK系统150中 从参考站120到用户或物体140的位置向量；以及 =、 f是由相 对于"个卫星IIO中每个卫星的差分载波相位噪声形成的测量噪声向量(或相位 距离残差向量)。要使用方程式(1)求出实向量x，需要求解整数模糊度向量N。已开发许多 不同的方法来求解在整数模糊度向量N中包括的整数模糊度值，并且这些方法一 般使用搜索进程来查找满足某些标准的整数模糊度值组合，如测量残差向量A巾的 最小范数，
△。 =， + 一-Hi
(2)
其中，A。是对应于包括整数模糊度值组合的候选整数模糊度向量N的相位距离残 差向量，并且交是方程式(1)的最小二乘解，
"[H'H]-'H'(V①+ N);i
(3)
或者，
i = [H7RH] 1 H'R '(V①+ N)义
(4)
其中
0
(5)
是由(7,形成的测量协方差矩阵，O",是使用常规方法计算得出的差分载波相位噪声
的标准偏差。在"GPS相位和代码观察的精度、互相关和时间相关"(by Peter Bona, GPS Solutions, Vol. 4, No. 2， Fall 2000， p. 3-13 )或"用于低成本惯性导航的紧密集成姿态 确定方法只又天线GPS禾口 GPS磁力计，，(by Yang, Y.， Ph.D. Dissertation, Dept. of Electrical Engineering, University of CaLlfornia, Riverside, CA June 2001 )中可找至'J用于计算cr,的方 法的例子，这两篇文章均通过引用结合于本文中。
在通过引用结合于本文的"瞬时模糊度求解"("Instantaneous Ambiguity Resolution ",by Hatch, R., in the Proceedings of the KIS Symposium 1990， Banff, Canada)中禾O在也通过 引用结合于本文的专利申请序号为10/338,264的共同拥有的专利申请"用于实时 动态观察和导航的快速模糊度求解"("Fast Ambiguity Resolution for Real Time Kinematic Survey and Navigation ")中，可找到搜索方法的其它例子。
利用求解的整数模糊度，用户接收机142的位置、速度和时间(PVT)可作为 本地RTK系统150的解来准确地计算。使用本地定位系统174，用户接收机142的位置、速度、时间(PVT)可作为 所述本地定位系统174的解准确地计算。例如，利用信号的飞行时间和/或多普勒 频移可以确定相对一个或多个地标的距离和角度信息。在2005年4月11 n提交 的公布号2005-0270228、名称为"用于本地定位的改进的雷达系统"的美国专利 申请中提供进一步说明了确定距离和角度信息，所述专利申请的内容通过引用结 合于本文中。此外，使用本地RTK系统150，当相对于在所述一个或多个地标176 的一个或多个中的GPS接收机120和相关联用户GPS接收机142的视野中的"个 卫星110进行测量时，所述测量可用于根据前面的方程式求出用户或物体140的 位置。
尽管它们有许多优势，但由于用户可能移到离所述一个或多个地标176和/或 所述参考站120太远的位置或者在所述一个或多个地标176和/或所述参考站120 的范围外，使得在用户或物体140与所述地标和/或所述参考站之间的通信链路和/ 或无线电链路124无法维持，因此，本地定位系统174和/或本地RTK系统150 可能对用户或物体140不可用。在这些情况下，无法通过将在用户或物体140的 测量与在所述地标176和/或所述参考站120的测量之间的差异考虑在内而满意地 消除电离层引起的误差。此误差影响上述搜索整数模糊度向量的进程，这是因为 它会导致在测量残差向量A巾中包括的测量残差增大。
因此，在本地定位系统174和本地RTK系统150由于在用户GPS接收机与 所述地标和参考站之间的大间隔而不可用或失去其准确度的情况下，用户可能需 要在WADGPS模式操作，在该模式使用不同的方案来求解整数模糊度。使用 WADGPS系统IOO，每个整周模糊度被估计为实值(非整数)变量。此实践经常 称为确定"浮点模糊度"值。一个用于确定"浮点模糊度"值的方法涉及基于在用户或 物体140进行的原始GPS测量形成折射校正的代码和载波相位测量、将载波相位 测量换算成与代码测量相同的单位以及从对应的代码测量减去每个换算的载波相 位测量以获得偏移值。在本发明的一个实施例中，标明为PRc的折射校正的代码测 量形成如下
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，A和&是在特殊测量时期分别在0和L2频率力和力上的原始伪距代码
测量。标明为"c的折射校正的载波相位测量以类似的方式形成如下<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，^和&是分别按L1和L2信号的波长换算的载波相位测量，并且每个包括 已添加的近似整周模糊度值，以使换算后的载波相位测量接近与对应的代码测量 相同的值。因此，
<formula>formula see original document page 13</formula> (9)
其中，^和w是在同一测量时期分别在Ll和L2频率上的原始载波相位测量，并 且A^和W,的整周值已在载波相位跟踪开始时由用户或物体140初始化，以提供在 对应代码测量的一个载波波长内的值，以使在换算后的载波相位测量和对应的代 码测量之间保持小的差异。从方程式(7)的形式可注意到折射校正的载波相位测 量包括具有由力与《之和(大约为2.803GHz)确定的波长义的整周模糊度，因此， 义大约为0.1070米(即，c/(力+力)。
由于根据方程式(6) - (9)，己从代码和载波相位测量两者中消除电离层效应， 并且有关伪距和载波相位测量的卫星时钟和轨道误差的效应是相同的，因此，在 步骤310中获得的尸，和丄，的值应几乎相同，除与载波相位测量相关联的可能的 整周模糊度和在代码测量中更高的多径噪声以外。这通过平滑一系列测量时期在 折射校正的代码测量与折射校正的载波相位测量之间的偏移(O = /V-Z^)，使偏移 变为"浮点模糊度"的更加准确的估计，从而允许在&c中整周模糊度的求解。通过 使用后置(post-foc)测量残差，还可进一步调整平滑的偏移值，以提供附加的载波相 位测量调整，使得调整后的测量残差接近零。
在本发明的一个实施例中，通过取如下的偏移的扩展平均值而平滑所述偏移 0, =0,._,+(P;.C-4-0,4 )/〃， (10)
其中，！'=1,2,3,...，用于标明测量时期，并且w值是置信值，在Q变为浮点模糊度 值的更准确估计时增大。在本发明的一个实施例中，；7等于^直至达到最大平均 值。例如，如果载波相位测量假设为只具有代码测量噪声的1 / 100 ，贝'j、"的值 会限于小于IOO的平方或10000。方程式(9因此可以递归计算，直至达到浮点 模糊度值的预定准确度。借助于平滑的偏移通过将当前测量时期的折射校正的载波相位测量加上 平滑的偏移，可获得平滑的折射校正的代码测量S ，以使
(11)
其具有载波相位测量的准确度，而无相关联的模糊度。
对在用户GPS接收机142的视野中的多个卫星中的每一卫星执行如结合方程 式(6) - (11)描述的以上过程。利用可用于在用户GPS接收机142的视野中的 多个卫星中的每一卫星的平滑的折射校正的代码测量，可获得到这些卫星的伪距。 这些伪距通过从中心105接收的WADGPS校正进行调整，并且在加权最小二乘定 位中用于计算状态向量x。这样，用户GPS接收机142的位置、速度和时间(PVT ) 可作为用户GPS接收机142的PVT的WADGPS解来计算。
在通过引用结合于本文的"代码和载波测量的协同作用"(by Hatch, R. mthe Proceedings of the Third International Geodetic Symposium on Satellite Doppler Positioning, DMA, NOS, Las Cruces， N.M., New Mexico State University, Vol. II, pp. 1213-1232)中以及在也通过 引用结合于本文中的美国公布号US-2005-0024263的共同拥有的专利申请"用于生 成广域或全球差分GPS系统的时钟校正的方法"中，可找到获得平滑的、折射校 正的偏移的方法的其它例子。
也可能将"浮点模糊度"值作为在最小二乘或Kalman滤波解中单独的状态来求 出。当模糊度被作为状态包括时，每个浮点模糊度值的估计值根据方差进行调整， 以使它在系统几何由于卫星运动而更改时变得更加准确。因此，此技术还随时间 进展而产生更加准确的估计。参阅PatnckH. C. Hwang的题为"用于差分定位的动态 GPS :求解变化的整数模糊度"(mMm'gato" Vol. 38, No. 1, Spring 1991)的论文，该论 文通过引用结合于本文。
上述技术有许多种组合和变化可用于佑计"浮点模糊度"值。然而，它们全部涉 及在很大的时间间隔内处理数据。在可以确信"浮点模糊度"足够准确、可在用户 140的导航位置中产生小于IO厘米准确度前，此时间间隔经常可长达一或二小时。 要縮短用于获得"浮点模糊度"值的时间间隔，可使用用户GPS接收机142的已知 位置按如下所述初始化WADGPS系统。
图3A表示用于初始化WADGPS系统100的方法300。如图3所示，方法300 包括步骤310，在该歩骤中确定用户是否固定在一已知位置。这可根据用户输入或 经允许计算机114确定用户接收机142是否已固定的某一常规机制而实现。如果用户接收机142已固定并且用户接收机142的位置已被准确获悉，则该位置可用 于计算浮点模糊度值而无需把本地定位系统174和/或本地RTK系统150的帮助， 如下文的详细描述。用户GPS接收机142的测量位置可用作已知位置，或者在一 些环境中，可能只是由于用户接收机142已是固定的并且用户位置在先前操作期 间已经确定，因而位置已知。
响应于用户固定在已知位置的确定，方法300进行到歩骤320 ,在该步骤中将 用户接收机位置设为已知位置。否则，方法300进行到步骤330，在该歩骤中启用 本地定位系统174和/或本地RTK系统150以使用上述方法来自动更新用户位置。
方法300还包括歩骤340，在该步骤中，用户接收机位置无论是在歩骤320或 步骤330中确定，均用于计算到卫星110的一组理论距离。这可涉及到基于来自 WADGPS系统100的广播星历表计算卫星110的位置和根据由WADGPS系统100 广播的轨道校正调整那些位置。假设在笛卡尔(Cartesian)坐标中的用户接收机位 置和卫星位置，从用户140到每个卫星110的理论距离可计算如下
fe -A) +fe -力+fe (11)
其中，下标s标明卫星坐标，并且下标"标明用户或物体接收机坐标。
方法300还包括歩骤350，在该步骤中，通过从计算的理论距离减去相对于同 一卫星从折射校正的载波相位测量获得的距离而计算得出对应于每个卫星的初始 浮点模糊度值"，因此，
a = r —丄()
w , l (12)
其中，"^表示在开始测量时期根据方程式(7)计算的折射校正的载波相位测量。
方法300还包括歩骤360，在该歩骤中，通过将初始浮点模糊度值加上在随后 测量时期的对应的折射校正的载波相位测量，即
丄wr = 、r + a ，
并且通过将浮点模糊度值视为众所周知，使得置信度设为高(或方差设为低)，从
而求解浮点模糊度值。实际上步骤360通过在用于确定浮点模糊度值的进程中使 用小的增益值调整浮点模糊度值来完成。例如，如果通过根据方程式(9)平滑在 折射校正的代码测量与折射校正的载波相位测量之间的偏移来确定浮点模糊度值，则小的增益意味着如同在计算浮点模糊度值时已使用大量偏移值处理浮点模 糊度值，因此，(大的数字)。如果模糊度值在Kalman滤波进程中确定，则 通过将模糊度状态的方差设为小的值而实现小的增益。
因此，通过使用固定用户接收机142的已知位置，或者通过使用本地定位系 统174和/或本地RTK系统150来初始化浮点模糊度值，避免了在用户接收机位置 未知时求出浮点模糊度值所需的一般十五分钟到二小时的"捕捉"时间。这可大大加 快WADGPS系统100中用于求解载波相位模糊度的进程，使WADGPS系统100 更适用于实时定位和/或导航用途。
为了在方法300中使用本地定位系统174和/或本地RTK系统150来更新用户 接收机位置，则本地定位系统174中的一个或多个地标176的位置和/或本地RTK 系统150中的参考站120的位置可在WADGPS系统100中准确确定。可以在相对 意义上使用常规本地定位系统或本地RTK系统，这表示用户接收机142的位置可 相对于所述一个或多个地标和/或参考接收机确定。这样，即使所述一个或多个地 标和/或参考接收机的坐标可能或可能不特别准确，并且除普通GPS数据外的坐标 数据用于定位所述地标和/或所述参考站，也可获得用户GPS接收机142的准确 相对位置。然而，对于本地定位系统174、本地RTK系统150和/或WADGPS系 统100的组合使用，需要确定本地定位系统174中的一个或多个地标176和RTK 系统150中的参考接收机120的绝对位置。如果将不正确的位置用于本地定位系 统174中的一个或多个地标176或本地RTK系统150中的参考站120，则它将导 致如上所述计算的浮点模糊度值不正确。当在随后的WADGPS处理期间浮点模糊 度值缓慢调整到正确值时，这将导致计算的用户接收机142的位置缓慢漂移。
在本发明的一个实施例中，为了增加可靠性，本地定位系统174中的一个或 多个地标176的平均位置和/或RTK系统150中的参考站120的平均位置基于来自 WADGPS系统100的数小时的定位数据来确定。在一个替代的实施例中，在所述 一个或多个地标176和/或参考站120的计算机系统接受其位置的操作员输入值， 并将该位置提供给用户140。这允许使用参考站的该位置立即开始相对本地定位和 /或RTK定位。同时，所述一个或多个地标176和/或参考站120的更准确位置由 WADGSP系统100确定，并传送给所述一个或多个地标176和/或参考站120。此 更准确的位置或操作员输入位置与由WADGPS系统100确定的所述一个或多个地 标176和/或参考站120的更准确位置之间的偏移可以随后以较低的速率传送到用 户140。
图3B更详细地表示方法300中的步骤330，在该步骤中，使用本地定位系统174和/或本地RTK系统150来更新用户位置。如图3B所示，歩骤330包括子步 骤331和子歩骤333;在子步骤331中，用户或物体140接收本地定位系统174和 /或本地RTK系统150中的参考站120的操作员输入位置；在子歩骤333中，用 户或物体140执行本地定位和/或本地RTK操作以确定相对于所述一个或多个地标 176和/或所述参考站120位置的其自身位置。步骤330还包括子歩骤335，在该歩 骤中，用户或物体140接收由WADGPS系统100确定的所述参考站120的更准确 位置或在参考站120的操作员输入位置与由WADGPS系统100确定的参考站120 的更准确位置之间的偏移。步骤330还包括子步骤337，在该步骤中，用户或物体 140使用所述地标和/或所述参考站的用户输入位置或由WADGPS系统100确定的 一个或多个地标176和/或参考站120的位置(如果可用)，计算用户GPS接收机 142在笛卡尔坐标中的绝对位置。
通过使用方法300可获益的一个例子是定位火车。当火车通过隧道时，本地 定位系统链路、本地RTK链路和全球WADGPS链路均会丢失。这种情况下，当 火车穿出隧道时，可建立本地定位系统数据链路和/或RTK数据链路以初始化 WADGPS浮点模糊度值。这会避免另外确定正确浮点模糊度值所需的长数据间隔。
通过使用方法300可获益的另一例子是定位起飞后的飞机。这种情况下，在 飞机准备起飞的机场的本地定位系统和/或本地RTK系统可用于在起飞之前或期 间初始化WADGPS模糊度。
因此，包括用户GPS接收机142和藕合至所述用户GPS接收机142的计算机 系统144的用户或物体140可在本地定位模式、RTK模式和/或WADGPS模式两 者中操作。由于如上所述用于本地定位系统174和本地RTK系统150的搜索进程 比WADGPS系统100中用于求解整数模糊度值的平滑方法花费的时间少得多，因 此，本地定位系统174和本地RTK系统150比WADGPS系统更有利。在搜索进 程中，不需要代码测量的平滑或者执行持续时间短得多的代码测量的平滑，不是 直接确定整周模糊度，而是在整数模糊度值的初始集合中提供降低的不确定性， 使得随后的搜索进程可受到更紧密的约束。为此，只要几秒的数据便足以获得模 糊度值的初始集合。
然而，只在用户GPS接收机142与本地定位系统174中的一个或多个地标176 和/或本地RTK系统150中的参考站120之间的通信链路可维持，并且用户或物体 140未偏离本地定位系统174中的一个或多个地标176和/或本地RTK系统150中 的参考站120太远的情况下，本地定位系统174和/或本地RTK系统150才可用。 当这些条件未满足时，即，当本地定位系统174和/或本地RTK系统150不可用或不准确时，通过使用由本地定位系统174和/或本地RTK系统150中最后确定的用 户接收机位置来初始化WADGPS系统，用户可求助于WADGPS系统100进行导 航，从而避免获得"浮点模糊度"值的长"捕捉(pull-in)"时间。
图4A表示由用户计算机系统144执行的组合本地定位、RTK和WADGPS操 作的进程流400。该进程流包括歩骤440、 450和460。如图4A中所示，在本地定 位校正可用时，用户140在本地定位模式操作，而在RTK校正可用时，用户140 在RTK模式操作。用户140接收本地定位系统174和/或本地RTK系统150中的 地标/参考站120的位置401，并执行步骤440，在该步骤440中，用户接收机的 PVT使用从本地定位系统174中的地标176和/或本地RTK系统150中的参考接收 机120接收的本地定位/RTK校正410来确定。在执行步骤440期间，用户140可 继续从中心105接收WADGPS校正420，以便WADGPS解可在后台生成。用户 140还可从中心105以较低的速率接收本地定位系统174中的地标176和/或本地 RTK系统150中的参考站120的更新位置430。通过使用所述地标176和/或参考 站120的更新位置和用户接收机位置的本地定位/RTK解，可根据上述的方法300 在后台持续初始化WADGPS解以与所述本地定位/RTK解一致。
当所述本地定位和RTK校正丢失时，用户140切换到WADGPS操作模式并 执行歩骤450，在该歩骤450中，用户140在本地定位/RTK校正变得不可用之前 立即使用在所述本地定位和/或RTK操作模式中确定的用户接收机位置，以根据上 述方法300初始化用于WADGPS操作模式的浮点模糊度值。这样，可确定"浮点 模糊度"值而没有长的"捕捉"时间。在执行歩骤450期间，用户140继续从中心105 接收WADGPS校正420。用户140还可从中心105以较低的速率接收本地定位系 统174中的一个或多个地标176和/或本地RTK系统150中的参考站120的更新位 置430。参考站坐标用于将WADGPS模式中生成的用户接收机位置变换成相对于 所述一个或多个地标176和/或本地参考接收机120的位置。这样，由用户计算机 系统144生成的PVT结果将在这两种不同的操作模式之间无缝过渡。
当所述本地定位和/或RTK校正再次可用时，用户在歩骤460恢复本地定位和 /或RTK操作，这类似于歩骤440中的所述本地定位和/或RTK操作。
图4B是表示使用本地定位系统、本地RTK系统和/或WADGPS系统的进程 流470的流程图。如果可用，则用户的位置可根据来自本地定位系统(480)的信 息确定。如果可用，则用户的位置可根据来自RTK系统(482)的信息确定。如 果可用，则用户的位置可根据来自WADGPS系统(484)的信息确定。载波相位 测量中的浮点模糊度值可被初始化(486)。所述进程流470可以包括更少或附加的操作。两个或更多个操作可以合并，并且至少一个操作的位置可以改变。
虽然基于接收自本地定位或本地RTK系统(例如来自本地参考站)的校正信 号的导航典型地比基于接收自WADGPS系统的信息的导航更准确，但是多径信号 可能不利地影响本地定位或本地RTK系统中参考站产生和传输的校正信息的准确 度。因此，如果本地定位或本地RTK参考站产生的校正信息已被降级(通过多径 信号或其它方式)超过一阈值量，则它将需要检测状态并基于来自WADGPS系统 的信息导航物体或用户。下面参考图4C描述的进程通过在接收自本地定位或本地 RTK参考站的校正信号不准确时进行检测，增加了多模式导航系统的可靠性。当 状态被检测时，所述物体或用户的导航是基于接收自WADGPS系统的信息。如果 接收自本地定位或本地RTK参考站的所述校正信号的准确度此后得到改善，则所 述进程可以过渡到使用接收自本地定位或本地RTK系统的校正信息导航。
图4C是表示用于在从WADGPS系统过渡到本地定位/本地RTK系统时增加 定位信息的可靠性的进程流490的流程图。如果可用，则可根据接收自WADGPS 系统(492)的信息确定物体或用户的一位置。使用所述WADGPS系统的所述物体或 用户的导航可以继续，直到与所述本地定位或本地RTK系统的参考站的通信被建 立(或重新建立)。如果可用，则用户的位置校正信息可以接收自本地定位或本地 RTK系统(494)，并且可以根据接收自本地定位或本地RTK系统的信息确定所述物 体或用户的一位置(有时也称本地RTK位置)(496)。果两个位置(同一物体或 用户的)的当前值可用，则比较使用来自所述WADGPS系统的信息确定的所述物 体或用户的所述位置与使用来自所述本地定位/本地RTK系统的信息确定的所述 物体或用户的所述位置(497)。如果基于来自所述WADGPS系统的信息确定的所 述物体或用户的所述位置与基于来自所述本地定位/本地RTK系统的信息确定的 所述物体或用户的所述位置相差大于一预定的阈值，则通过WADGPS系统确定的 用户的位置被用于导航(498)。如果基于来自所述WADGPS系统的信息确定的所 述物体或用户的所述位置与基于来自所述本地定位/本地RTK系统的信息确定的 所述物体或用户的所述位置相差小于一预定的阈值，则基于来自所述本地定位/本 地RTK系统的信息确定的所述物体或用户的所述位置被用于导航(499)。
在一些实施例中，所述预定的阈值是一个活多个固定值。例如，在一个实施 例中，所述预定的阈值是一用于垂直位置差的第一值(如20cm)，及一用于水平 位置差的第二值(如15cm)。如果所述WADGPS和本地RTK位置垂直距离相差 大于所述第一值，或者水平距离相差大于所述第二值，则来自所述本地定位/RTK 系统的所述位置校正信息被拒绝，而所述WADGPS位置被用于导航。在一些其它 实施例中，利用物体的所述第一和第二位置(所述WADGPS位置和本地RTK位置)的协方差矩阵的卡方(chi-squared)比率检验法确定所述预定的阈值。协方差 矩阵的卡方比率检验法的利用在以下文章中有表述SatirapodC， Wang J和Rizos C.的"用于GPS可观察量的方差-协方差的估算的简化的MINQUE方法" !SVmp/zy ec AfflVQt/E尸racet/wre^br Ae j&ri麵riow q/"J^r/awce-Cora"'训ce Co，owe她 0/G尸S Ofoerva6/as) "， Survey Review, 36巻286期第582-590页，2002; H-K- Lee， C. Rizos和GL Jee的"具有一致误差协方差信息的动态DGPS滤波器的设计和分
/w/o/7m^o"A"卫星导航(SatNav) 2003，第6届包括移动定位服务的卫星导航技 术国际研讨会(6th International Symposium on Satellite Navigation Technology Including Mobile Positioning & Location Services),澳大利亚墨尔本，2003年7月 22日；及H.K. Lee, C. Rizos和GI. Jee的"具有一致误差协方差信息的动态DGPS 滤波器的设计(Z)es一 o/A7"側a"'c Z)GTO W/tera附7力Cb"ite", ￡>r。, C。v譜'a"cg /w/w7w油'o"A "雷达、声纳和导航，IEEE会议文件，151巻6期第382- 388页， 2004年12月10 R,各作为背景信息在此引入作为参考。
在一典型的实施例中，用户GPS接收机142可以在第一模式下操作，该模式 下，当与本地定位系统176的通信可用时，使用本地定位系统176确定用户140 的第一位置。所述用户140的第二位置可以根据使用在第二操作模式中的 WADGPS系统100执行的载波相位测量确定。诸如所述第一位置的所述用户140 的一已知位置可以被用于初始化所述载波相位测量中的浮点模糊度值。在一些实 施例中，所述用户140的已知位置可以由所述用户提供和/或输入。
在一些实施例中，所述第一操作模式在可用时被用来确定用户140的位置。 然而，如果与本地定位系统174的通信丢失，则可以使用所述第二操作模式。如 果至本地定位系统174的距离超过一值，诸如100米、500米、1000米、10000米 或更多，则与本地定位系统174的通信可能丢失。
在一些实施例中，所述第一操作模式和所述第二操作模式可以基本上同时执 行，所述第一位置与所述第二位置之间的差被用于初始化所述载波相位测量中的 浮点模糊度值。在一些实施例中，所述第一操作模式和所述第二操作模式可以基 本上同时执行，所述第一位置与所述第二位置之间的差被用于确定所述用户140 的第三位置。可以根据接收的来自第三操作模式中的实时动态(RTK)系统150 中的本地参考接收机122的信息确定所述第三位置。
在一些实施例中，当与本地定位系统174的通信丢失时可使用第三操作模式， 而当与所述本地定位系统174的通信再次可用时可以使用所述第一操作模式。在一些实施例中，当与本地参考接收机122及本地定位系统174的通信丢失 时可以使用所述第二操作模式，而当与所述本地定位系统174的通信可用时可以 使用所述第一操作模式，其中当与本地参考接收机122的通信可用而与本地定位 系统174的通信丢失时使用第三操作模式。
在一些实施例中，如果从本地定位系统174至用户140的距离大于第一值(如 10000米)，则使用所述第二操作模式；而如果从本地定位系统174至用户140的 距离小于第二值(如IOOO米)，则使用所述第一操作模式；如果从本地定位系统 174至用户140的距离在所述第一预定值与所述第二预定值之间，则使用所述第三 操作模式。
在一些实施例中，当所述第二操作模式确定的位置与所述第一操作模式确定 的位置进行比较并且所述第二操作模式确定的所述位置与所述第一操作模式确定 的所述位置相差大于一预定的阈值时，使用所述第二操作模式。
在一些实施例中，当所述第二操作模式确定的位置与所述第三操作模式确定 的位置进行比较并且所述第二操作模式确定的所述位置与所述第三操作模式确定 的所述位置相差大于一预定的阈值时，使用所述第二操作模式。
进程400可在许多应用中使用。 一个应用涉及将本地定位系统和/或RTK操作 扩展到本地定位系统和/或RTK无线电链路无法维持而WADGPS通信链路至少通 常可用的区域中。例如，如图5中所示，用户或物体140可以是在起伏的坡面区 域501中按行520移动的农用车辆510，而用户接收机142接到农用车辆或接到连 接到农用车辆的农用装置。区域501包括从本地RTK系统150中的参考站120可 见的区域503和从参考站120看不见的(阴影)区域505和507。由于RTK通信 链路通常是直线对传，因此，只要将用户GPS接收机142从区域503移到区域505 或507,RTK数据便会丢失。但由于经常得到卫星的帮助，因此，在用户接收机142 与WADGPS系统100之间的数据链路通常是可用的。通过只要RTK无线电链路 可用并且RTK系统150在操作便在WADGPS系统100中初始化浮点模糊度，实 际上可在RTK链路丢失的那些间隔期间保持RTK操作的准确度。
虽然图1中的WADGPS系统100已在上述说明中使用，但将理解，利用来自 卫星的载波相位测量实现定位和/或导航用途并因此需要确定与相位测量相关联 的模糊度值的任何区域、广域或全球系统也可得益于上述方法300和进程400。这 些系统的例子包括由JohnDeere公司开发的Starfire system和由几家美国政府机 构在开发的区域高准确度国家差分(HA-ND) GPS系统。
权利要求
1、一种利用广域差分卫星定位系统与本地定位系统二者定位或导航一物体的方法，所述方法包括根据来自所述广域差分卫星定位系统的信息确定所述物体的第一位置；接收来自所述本地定位系统的一基台的位置校正信息，并根据接收自所述本地定位系统的所述基台的所述校正信息确定所述物体的第二位置；比较所述第一位置与所述第二位置；及当所述第一位置与所述第二位置相差大于一预定阈值时，利用所述第一位置以导航所述物体，而当所述第一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值时，利用所述第二位置以导航所述物体。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述预定的阈值是利用一物体 的所述第一和第二位置的协方差矩阵的卡方比率检验法确定的。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述预定的阈值是一相对于一 预定的方向的15至20厘米之间的值。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述本地定位系统是一本地实 时动态(RTK)定位系统。
5、 根据权利要求1所述的方法，包括在检测到与所述本地定位系统的所述基 台的通信丢失时，从利用所述本地定位系统导航所述物体过渡到利用所述广域差 分卫星定位系统导航所述物体。
6、 根据权利要求5所述的方法，包括在检测到与所述本地定位系统的所述基 台的通信重新取得并确定所述第一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值 时，从利用所述广域差分卫星定位系统导航所述物体过渡到利用所述本地定位系 统导航所述物体。
7、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于确定所述第一位置包括接收来 自所述广域差分卫星定位系统的位置校正信息。
8、 一种计算机可读媒体，其存储有计算机可读程序指令，在山处理器执行所 述指令时，所述指令使处理器执行一种利用广域差分卫星定位系统与本地定位系 统二者定位或导航物体的方法，所述程序指令包括用于根据来自所述广域差分卫星定位系统的信息确定所述物体的第一位置的指令；用于接收来自所述本地定位系统的一基台的位置校正信息并根据接收自所述 本地定位系统的所述基台的所述校正信息确定所述物体的第二位置的指令； 用于比较所述第一位置与所述第二位置的指令；及用于当所述第一位置与所述第二位置相差大于一预定阈值时利用所述第一位置以导航所述物体，而当所述第一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值 时利用所述第二位置以导航所述物体的指令。
9、 根据权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于所述预定的阈值是 利用一物体的所述第一和第二位置的协方差矩阵的卡方比率检验法确定的。
10、 根据权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于所述预定的阈值 是一相对于一预定的方向的15至20厘米之间的值。
11、 根据权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于所述本地定位系统是一本地实时动态(RTK)定位系统。
12、 根据权利要求8所述的计算机可读媒体，其特征在于所述程序指令还 包括用于在检测到与所述本地定位系统的所述基台的通信丢失时从利用所述本地 定位系统导航所述物体过渡到利用所述广域差分卫星定位系统导航所述物体的指令。
13、 根据权利要求12所述的计算机可读媒体，其特征在于所述程序指令还包括用于在检测到与所述本地定位系统的所述基台的通信重新取得并确定所述第 一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值时从利用所述广域差分卫星定位 系统导航所述物体过渡到利用所述本地定位系统导航所述物体的指令。
14、 根据权利要求8所述的计算机可读媒体，包括用于从所述广域差分卫星 定位系统接收位置校正信息的指令。
15、 一种利用广域差分卫星定位系统与本地定位系统二者定位或导航物体的卫星导航接收机，包括一存储器； 一卫星信号接收机；至少一个辅助接收机，用于接收来自广域差分卫星定位系统和所述本地定位 系统的位置校lH信息； 一处理器；及至少一个程序，其存储在所述存储器中并由所述处理器执行，所述程序包括 用于根据来自所述广域差分卫星定位系统的信息确定所述物体的第一位置的 指令；用于接收来自所述本地定位系统的一基台的位置校正信息并根据接收自所述 本地定位系统的所述基台的所述校正信息确定所述物体的第二位置的指令； 用于比较所述第一位置与所述第二位置的指令；及用于当所述第一位置与所述第二位置相差大于一预定阈值时利用所述第一位 置以导航所述物体，而当所述第一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值 时利用所述第二位置以导航所述物体的指令。
16、 根据权利要求15所述的卫星导航接收机，其特征在于所述预定的阈值 是利用一物体的所述第一和第二位置的协方差矩阵的卡方比率检验法确定的。
17、 根据权利要求15所述的卫星导航接收机，其特征在于所述预定的阈值 是一相对于一预定的方向的15至20厘米之间的值。
18、 根据权利要求15所述的卫星导航接收机，其特征在于所述本地定位系 统是一本地实时动态(RTK)定位系统。
19、 根据权利要求15所述的卫星导航接收机，其特征在于所述接收机在检测到与所述本地定位系统的所述基台的通信丢失时从利用所述本地定位系统导航 所述物体过渡到利用所述广域差分卫星定位系统导航所述物体。
20、 根据权利要求19所述的卫星导航接收机，其特征在于所述接收机在检测到与所述本地定位系统的所述基台的通信重新取得并确定所述第一位置与所述 第二位置相差小于所述预定的阈值时从利用所述广域差分卫星定位系统导航所述 物体过渡到利用所述本地定位系统导航所述物体。
21、 根据权利要求15所述的卫星导航接收机，包括用于从所述广域差分卫星 定位系统接收位置校正信息的指令。
22、 一种利用广域差分卫星定位系统与本地定位系统二者定位或导航物体的卫星导航接收机，其特征在于，所述卫星导航接收机根据来自所述广域差分卫星定位系统的信息确定所述物体的第一位置； 接收来自所述本地定位系统的一基台的位置校正信息，并根据接收自所述本地定位系统的所述基台的所述校正信息确定所述物体的第二位置； 比较所述第一位置与所述第二位置；及当所述第一位置与所述第二位置相差大于一预定阈值时利用所述第一位置以 导航所述物体，而当所述第一位置与所述第二位置相差小于所述预定的阈值时利 用所述第二位置以导航所述物体。
全文摘要
本发明包括一种组合使用本地定位系统、本地RTK系统与区域、广域或全球差分载波相位定位系统(WADGPS)的方法，以避免与所述本地定位系统、所述RTK和所述WADGPS导航技术在单独使用时可能存在的缺点。所述方法包括根据来自WADGPS的信息确定物体的第一位置，及根据来自本地定位/RTK定位系统的信息确定物体的第二位置；之后，比较通过所述WADGPS确定的位置与通过所述本地定位/RTK定位系统确定的位置。当所述WADGPS位置与本地定位/RTK位置相差大于一预定阈值时，所述WADGPS被用于导航物体，而当所述WADGPS位置与本地定位/RTK位置相差小于所述预定阈值时，所述本地定位/RTK位置被用于导航物体。
文档编号G01S19/48GK101449179SQ200780018606
公开日2009年6月3日 申请日期2007年6月13日 优先权日2006年7月14日
发明者丹尼尔·J·依斯莱格, 弗雷德里克·W·纳尔逊, 特伦斯·D·皮克特, 理查德·T·沙普, 罗纳德·R·赫氏, 静·孙 申请人:纳夫科姆技术公司