专利名称：定位系统和方法
技术领域：
本发明涉及定位系统和方法。具体地，本发明涉及组合来自全球导航卫星系统 (GNSS)和惯性导航系统(INS)的测量值的定位方法和系统。
背景技术：
许多应用(例如大地测量仪、车辆等)利用基于全球定位系统(例如GPS、GL0NASS 或欧洲伽利略系统等)的方法和系统来确定位置。这些全球导航卫星系统(GNSS)是以接 收卫星信号为基础的。例如在农业、采矿、运输或铁路应用中的车辆引导或导航的要求与测量的要求有些许的不同，包括强烈得多地要求能够连续提供定位。然而，当只有少量的卫星“可见”或 一颗或多颗卫星不运转时，提供连续定位的能力就被降低，其导致位置确定的精度下降。例 如，为了能够获得精确的位置确定，GPS系统要求至少四颗卫星是“可见”的。本领域公知的是，组合来自GNSS数据的定位测量值和来自一个或多个车载惯性 导航系统(INS)的数据，可以提供具有高可靠性、高可用性、高精度以及高集成的改善型位 置确定系统和方法。这样的系统在本领域内一般被称为集成导航系统。INS通过测量施加给系统的惯性参考系(inertial reference frame)的线加速度 和角加速度来提供车辆的位置、速度、方位以及角速度。在许多集成导航系统中，利用Kalman滤波器生成轨迹的估计值，从而允许对车辆 进行实时引导。Kalman滤波器是一种递归估计器，其依赖于来自前一步估计状态和当前测 量数据，计算当前状态的估计值以及该估计的置信度的确切测量。同样地，集成导航系统要求对GPS系统中出现在GPS接收机的输出上的GNSS数据 以及从INS获得的定位数据两者进行后处理来提供定位信息。在本说明书中，术语“由...组成”、“包含”、“包括”、“包含”或类似术语的目的是表 示不排除的意思，从而使得包括一系列要素的方法、系统或设备都不是仅仅包括这些要素， 而是还可以包括其他未列出的要素。
发明内容
在一种方式中，虽然它不一定是最宽的形式，本发明在于一种定位方法，包括步 骤(i)基于惯性导航系统的测量计算惯性定位数据；(ii)基于该惯性定位数据生成虚拟卫星测距数据；(iii)组合从全球导航卫星系统(GNSS)的构成部分的一颗或多颗卫星接收的接 收卫星测距数据和该虚拟卫星测距数据；以及(iv)基于该组合的接收卫星测距数据和该虚拟卫星测距数据计算GNSS定位解。从下面的具体实施方式
中本发明的更多特征将变得显而易见。
仅通过示例的方式，下面参照附图对本发明的优选实施方式进行更全面地描述， 其中图1示出的是利用GNSS进行导航的车辆的示意图；图2示出的是图1所示的车辆的示意图；图3示出的是根据本发明实施方式的定位系统的示意性表达；图4示出的是根据本发明实施方式的定位方法；以及图5示出的是构成图4所示的定位方法的一部分的、转换惯性定位数据以及用卫 星测距数据来增强该数据的方法。
具体实施例方式将参照对农业车辆进行引导的GPS GNSS来描述本发明。然而，本领域技术人员将 理解可以利用用于任何已知引导应用的任何已知的GNSS实施本系统。本发明的定位系统和方法将INS定位数据转换成可以输入到GPS接收机的处理模 块的数据格式，从而使得GPS接收机可以象处理GPS测距数据那样处理该转换后的INS定 位数据。通过转换INS数据来将该数据表示成GPS测距数据，GPS处理模块可以利用通过 INS定位数据增强的传统的GPS测距处理技术无缝地提供定位数据。图1示出的是利用GNSS导航的车辆10的示意图，图2示出的是车辆10的示意图。 在这种实施方式中，车辆10被用于耕种农场上的土地。为了以精确的方式进行耕种，利用 来自卫星20的测距信号导出车辆的实际位置，或者其点位。车辆10上具有GPS接收机110，GPS接收机110具有用于从卫星20接收GPS信号 的天线111。INS 120安装在车辆10上或车辆10内，用于如本领域所公知的那样生成关于 车辆10的惯性定位数据。INS 120优选地采用与角速率传感器以及相关的计算装置一起工 作的加速器的形式。然而，本领域普通技术人员将明白，INS 120可以采用任何公知的惯性 导航系统的形式。图3示出的是根据本发明实施方式的定位系统100的示意表示。定位系统100包 括GPS接收机天线111、INS 120、转换模块130、增强模块140以及GPS处理模块112。INS 120可以以惯性参考系的关于车辆10的位置数据、速度数据、方位数据以及 角加速度数据的形式来提供惯性定位数据。INS 120与转换模块130相通信。如将在后文更详细地描述的那样，转换模块130 可以接收由INS 120生成的惯性定位数据并将该惯性定位数据转换为虚拟卫星测距数据。 转换模块130与增强模块140相通信。如本领域所公知的那样，GPS接收天线111接收从可见卫星20传递的卫星测距数 据。卫星测距数据传递给增强模块140。如描述的那样，增强模块140接收来自转换模块130的虚拟卫星测距数据以及来 自GPS接收机天线111的卫星测距数据。增强模块140组合来自转换模块130的虚拟卫星 测距数据以及来自GPS接收机天线111的卫星测距数据，并将该组合的卫星测距数据传递 给GPS处理模块112。后文将对增强模块140进行更详细地描述。GPS处理模块112被配置为接收来自增强模块140的组合卫星测距数据，并基于该数据执行定位计算，以提供本领域所公知的可以利用的定位解150。在优选的方式中，转换模块130、增强模块140以及GPS处理模块112是在GPS接 收机Iio的计算装置中执行的软件模块。以这种方式，GPS接收机110采用任何已知GPS接 收机的形式，在其上安装转换模块130和增强模块140的形式的专用软件。另选地，转换模块130可以采用与GPS接收机110相分立的硬件模块或软件模块 及硬件模块的形式，并与GPS接收机110的GPS处理模块112相通信。
并且，增强模块140可以采用与GPS接收机110相分立的硬件模块或软件模块及 硬件模块的形式，并且与GPS接收机110的GPS处理模块112相通信。图4示出的是根据本发明实施方式的定位方法200。在这种实施方式中，当定位解 变得不确定时，定位方法200将虚拟卫星测距数据提供给GPS接收机110的处理模块112。 如本领域所公知的，定位解变得不确定时的通常情形是在GPS天线111从少于4颗卫星20 接收卫星测距数据的时候。定位方法200开始于INS 120的初始化(步骤210)。由GPS接收机110的GPS处理模块112基于根据GPS接收机110的GPS天线111 所接收的卫星测距信号计算出的定位解对INS 120进行初始化。在该初始化步骤中，GPS天 线111可以从至少四颗卫星20接收卫星测距信号，从而GPS处理模块112可以计算确定的 三维定位解，还可以解决GPS接收机110的时钟偏差(clock bias)。如上所述，由GPS接收机110的GPS处理模块112计算出的定位解被传递给INS 120，从而INS 120具有初始位置进而如本领域公知的那样开始计算惯性定位解。适宜地，对INS 120进行初始化的步骤在车辆10运动之前的发动时执行。GPS接收机110的GPS处理模块112然后基于如上所述的从GPS天线111接收的 卫星测距数据计算车辆10的GPS定位解(步骤220)。当车辆10运动时，GPS接收机110的GPS处理模块112继续基于GPS天线111从 可见卫星20接收的卫星测距数据计算车辆10的GPS定位解。当车辆10运动时，由GPS处理模块112计算出的GPS定位解被传递给INS 120，以 校正由INS 120计算出的惯性定位解中的误差(步骤230)。如本领域所公知的，惯性定位解的误差随时间增长。这样，通过将GPS接收机110 的GPS处理模块112所计算的GPS定位解传递给INS120，能够使INS 120计算出的惯性定 位解的误差大小最小化。适宜地，为了使INS 120计算出的定位解的误差增长最小化，在每个历元(印och) 都执行步骤230。GPS接收机110的GPS处理模块112连续确定是否存在不确定的定位解(步骤 240)。适宜地，GPS处理模块112在各历元进行这种确定。例如，当车辆10移动到一颗或更多颗卫星20不再可见从而使得GPS天线111不 能从一颗或更多颗卫星20接收到卫星测距数据的位置时，由GPS处理模块112计算的定位 解变得不确定。如上所述，当GPS处理模块112基于由少于四颗卫星20接收的卫星测距数 据不能计算出四个变量时，便出现不确定。如果定位解是确定的，那么方法返回至步骤220，GPS处理模块112继续基于GPS 天线111接收的卫星测距数据来计算GPS定位解。
然而，如果定位解变得不确定，如上所述，增强模块140组合INS 120计算出的惯性定位数据(由转换模块140转换成虚拟卫星测距数据)，和由GPS天线111从可见卫星 20接收的卫星测距数据(步骤250)。由INS测量模块120计算出的惯性定位数据以这种方式被转换，该数据被传递给 GPS处理模块112，与GPS天线111接收的实际卫星测距数据相增强，从而使得GPS处理模 块112利用标准的GPS定位计算技术计算定位解，就如同GPS天线111已经从四颗卫星20 的每颗都接收到了卫星测距数据那样来计算确定的定位解。后文将参照图5对步骤250进行更详细地讨论。然后，如前面所讨论的那样，GPS处理模块112计算GPS定位解(步骤260)。向以前一样，GPS处理模块112计算出的GPS定位解被传递给INS120，以校正由 INS 120计算出的惯性定位解中的任何与时间相关的误差增长(步骤230)。此外，GPS处理模块112再次根据天线111接收的卫星测距数据来确定是否存在 不确定定位解，并且基于该确定步骤240，方法继续。图5示出的是构成根据本发明的实施方式的定位方法200的一部分的、转换惯性 定位数据并将该数据与卫星测距数据相增强的方法250。如上所述，当GPS处理模块112基于GPS天线111接收的卫星测距数据确定出存 在不确定的定位解时，方法250开始。转换模块130从INS 120接收针对计算出不确定的定位解的那个历元紧前面的那 个历元而计算出的惯性定位数据(步骤251)。这个数据可以独立于GPS处理模块112基于 GPS天线111接收的卫星测距数据计算出的任意定位解，为车辆10提供惯性定位解。之后，转换模块130识别四颗卫星20中哪颗卫星被遮挡了(步骤252)，然后，转换 模块130基于由INS 120计算的惯性定位解生成虚拟卫星测距数据(步骤253)。也就是说，基于由INS 120计算出的惯性定位解，转换模块130生成虚拟卫星测距 数据，使得该虚拟卫星测距数据在格式上与假定该被遮挡的卫星未被遮挡时的该被遮挡的 卫星的卫星测距数据相同。同样地，由转换模块130生成的虚拟卫星测距数据包括与该被遮挡卫星相关的识 别数据，以用于与GPS处理模块112通信。可选地，转换模块130在该虚拟卫星测距数据中注入大气误差(atmospheric error)。通常地，GPS接收机利用数学模型来校正接收的卫星测距数据中存在的大气误差。 因此，通过将这些模拟的误差注入到虚拟卫星测距数据中，虚拟卫星测距数据与所接收的 卫星测距数据将被用相同的方式来处理，并且GPS处理模块112将校正这些注入的误差。然后，由转换模块130生成的虚拟卫星测距数据被传递给增强模块140，之后增强 模块140用GPS天线111接收的卫星测距数据增强由转换模块130生成的虚拟卫星测距数 据(步骤254)。适合地，增强模块140组合接收的卫星测距数据和生成的虚拟卫星测距数据，从 而生成组合卫星测距数据。然后，该组合卫星测距数据被传递给GPS接收机110的GPS处理模块112(步骤 255)，然后GPS处理模块112如上所述地计算GPS定位解。当卫星被遮挡时，执行上述的本发明的定位方法100的实施方式，从而虚拟卫星测距数据用来替代暂时被遮挡的卫星的卫星测距数据。发明人意识到可以实施本发明的定 位方法来生成关于真正的虚拟卫星的虚拟卫星测距数据。也就是说，为了使GPS接收机可以有效地从GPS星座中的32颗卫星之外的源接收 测距信号，增强模块130可以编辑GPS接收机110的历书和星历。此时，本发明的方法和系 统可以基于从实际的卫星星座接收的卫星测距数据以及虚拟卫星测距数据来生成GPS定 位解，其中该虚拟卫星测距数据被处理成好像各虚拟卫星测距数据是由虚拟卫星星座中的 卫星生成的。在本发明的这种实施方式中，方法200的确定步骤240被去除，使得GPS接收机接 收包括虚拟卫星测距数据和GPS天线111接收的卫星测距数据的组合卫星测距数据。适宜 地，虚拟卫星测距数据合适地包括来自一个或更多个虚拟卫星的虚拟测距数据，增强模块 140将它们的轨道和标识预先存储在GPS接收机110的历书中。甚至在GPS处理模块112能够基于GPS天线111接收的卫星测距数据计算出确定 的定位解时，本发明的实施方式也可以应用。以这种方式，为了每单位时间在GPS处理模块 112中提供与仅仅基于卫星测距数据的位置计算相比两倍的定位计算量，虚拟卫星测距数 据允许GPS处理模块112可以在每个历元之间的中途计算定位解。本发明的这种实施方式的具体优点在于，虚拟卫星可以放在使GPS卫星和虚拟卫 星星座的精度降低最小的轨道中。虽然上面本发明的定位方法和系统是参照安装在运动车辆上的GPS接收机描述 的，但本领域普通技术人员应明白，该方法和系统同样适用于固定位置GPS基准站与移动 GPS接收机相结合用于导出定位解的应用中。在整个说明书中，目的是描述本发明，并不是将本发明限制到任何一个实施方式 或具体的特征集合。相关领域的普通技术人员可以从具体实施方式
中实现变更，其仍然落 入本发明的范围内。
权利要求
一种定位方法，该方法包括以下步骤(i)基于惯性导航系统的测量计算惯性定位数据；(ii)基于所述惯性定位数据生成虚拟卫星测距数据；(iii)组合从构成全球导航卫星系统GNSS的一部分的一颗或更多颗卫星接收的卫星测距数据和所述虚拟卫星测距数据；以及(iv)基于经组合的所述接收的卫星测距数据和所述虚拟卫星测距数据，计算全球导航卫星系统定位解。
2.如权利要求1所述的定位方法，其中基于所述惯性定位数据生成虚拟卫星测距数据 的步骤包括以下步骤(a)识别构成所述全球导航卫星系统的一部分的一颗或更多颗被遮挡卫星，其中不能 从所述一颗或更多颗被遮挡卫星接收卫星测距数据；(b)转换所述惯性定位数据以形成所述虚拟卫星测距数据，使得所述虚拟卫星测距数 据在形式上与来自所述一颗或更多颗被遮挡卫星的卫星测距数据相同。
3.如权利要求1所述的定位方法，其中修改GPS接收机的历书和星历，以从一颗或更多 颗不构成任何全球导航卫星系统星座的一部分的虚拟卫星接收虚拟测距数据，基于所述惯 性定位数据生成虚拟卫星测距数据的步骤包括以下步骤(a)转换所述惯性定位数据从而形成所述虚拟卫星测距数据，使得所述虚拟卫星测距 数据与所述GPS接收机的经修改的历书和星历相对应。
4.如权利要求3所述的定位方法，其中修改所述GPS接收机的历书和星历，从而使得一 颗或更多颗虚拟卫星被放置在使得能够在连续历元之间中途进行全球导航卫星系统定位 解的计算的轨道中。
5.如权利要求1所述的定位方法，所述方法还包括以下步骤利用计算出的全球导航 卫星系统定位解来校正所述惯性定位数据中的误差。
6.如权利要求1所述的定位方法，所述方法还包括在将所生成的虚拟卫星测距数据 与所述接收的卫星测距数据进行组合之前，调整所述虚拟卫星测距数据以使其包括大气误差。
7.—种定位系统，该定位系统包括惯性导航系统，其用于计算惯性定位数据；具有处理模块的GPS系统，该GPS系统用于接收卫星测距数据并基于接收的卫星测距 数据计算全球导航卫星系统定位解；与所述惯性导航系统相通信的转换模块，所述转换模块用于接收所述惯性定位数据并 将所述惯性定位数据转换成虚拟卫星测距数据；以及与所述转换模块以及所述GPS系统的所述处理模块相通信的增强模块，所述增强模块 用于接收来自所述GPS系统的卫星测距数据和来自所述转换模块的虚拟卫星测距数据，以 形成组合测距数据并将所述组合测距数据传递给所述GPS系统的所述处理模块；其中，所述GPS系统的所述处理模块基于从所述增强模块接收的所述组合测距数据计 算定位解。
8.如权利要求7所述的定位系统，其中，所述GPS系统的所述处理模块用于将计算出的 定位解传递给所述惯性导航系统。
9.如权利要求8所述的定位系统，其中，所述惯性导航系统用于基于从所述GPS系统的 所述处理模块接收的定位来校正计算出的定位数据中的误差。
10.如权利要求7所述的定位系统，其中，所述转换模块调整所生成的虚拟卫星测距数 据以使其包括模型大气误差。
11.如权利要求7所述的定位系统，其中，修改GPS接收机的历书和星历，以从不构成任 何全球导航卫星系统星座的一部分的一颗或更多颗虚拟卫星接收虚拟测距数据。
12.如权利要求11所述的定位系统，其中，修改所述GPS接收机的历书和星历，从而使 得将所述一颗或更多颗虚拟卫星放置在使得能够在连续历元之间中途进行全球导航卫星 系统定位解的计算的轨道中。
全文摘要
一种定位方法，其中基于惯性导航系统的测量计算惯性定位数据。然后基于该惯性定位数据生成虚拟卫星测距数据。然后将该虚拟卫星测距数据与从构成全球导航卫星系统(GNSS)的一部分的一颗或更多颗卫星接收的卫星测距数据相组合。然后基于该组合的接收的卫星测距数据和虚拟卫星测距数据计算GNSS定位解。
文档编号G01S5/14GK101809411SQ200880109105
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月26日 优先权日2007年9月28日
发明者威廉·凯拉, 安东尼·科勒 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司