专利名称：用于组合使用标准rtk系统与全球载波相位差分定位系统的导航接收器和方法
技术领域：
所公开的实施方式通常涉及标准RTK系统与全球载波相位差分定位系统的组合使用。
背景技术：
全球定位系统(GPS)使用太空中的卫星来定位地球上的对象。GPS使用来自于卫星的L频带信号，该信号由GPS接收器跟踪并且用于确定GPS接收器的位置。当前，两类GPS 测量值在民用GPS接收器内可用于被跟踪的每个GPS卫星的每个载波信号。该两类GPS测量值是伪距和积分载波相位。这两类测量值分别对于具有1. 5754 GHz和1. 2276 GHz的频率的两个载波信号Ll和L2中的每个可用。这两个频率的波长分别是0. 1903 m和0. M42 m。伪距测量值(或码测量值)是所有类型的GPS接收器可以产生的基本GPS可观察量。它利用被调制到载波信号上的C/A或P伪随机码。伪距测量值记录相关码从卫星到接收器传播所花的视时(apparent time)即信号根据接收器时钟到达接收器的时间减去信号根据卫星时钟离开卫星的时间。通过在信号到达接收器时对信号的重构载波进行积分来获得载波相位测量值。因此，载波相位测量也是对渡越时间(transit time)差的测量，其由信号根据卫星时钟离开卫星的时间以及该信号根据接收器时钟到达接收器的时间来确定。然而，因为当接收器开始跟踪信号的载波相位时不知道卫星与接收器之间的渡越中的整周(whole cycle)的初始数量，所以从载波相位获得的渡越时间差通常将有多个载波周期的误差，即在载波相位测量值中存在整周模糊度。通过将每个信号的传播时间与光速相乘来计算GPS接收器与多个卫星中的每个之间的范围或距离。这些范围通常称作伪距(假范围)，因为接收器时钟通常具有在测量范围中引起共同偏差的显著时间误差。作为常规导航计算的部分，连同接收器的位置坐标一起求解来自于接收器时钟误差的该共同偏差。各种其他因素也可以导致计算范围中的误差或噪声，包括星历误差、卫星时钟定时误差、大气影响、接收器噪声和多径误差。在单独的 GPS导航中，如果接收器从多个卫星获得码和/或载波相位范围而没有来自于任何参考站的修正益处，则接收器在可用于降低范围中的误差或噪声的方法中非常受限。为了消除或降低系统性误差，通常在GPS应用中使用差分操作。差分GPS (DGPS) 操作通常涉及位于已知站点(有时称作基站)处的一个或多个参考接收器以及用户接收器与参考接收器之间的通信链路。参考接收器用于生成与上述某些或全部误差类型相关联的修正，并且通过通信链路向用户接收器发送这些修正。然后，用户接收器将修正应用于其自己的测量值或位置，从而获得更准确的计算位置。来自于各个参考接收器的修正可以是对在参考站点处确定的参考接收器位置的修正的形式或对特定GPS卫星时钟和/或轨道的修正的形式。使用载波相位测量值的差分操作经常称作实时动态(RTK)定位/导航操作。差分GPS (DGPS)的基本概念是利用GPS测量值中固有误差的空间和时间的相关性。因此，这些修正消除或显著减轻了伪距和/或载波相位测量值中的大部分噪声源。减轻的量取决于用户与参考接收器处误差源之间的相关性。虽然GPS卫星时钟定时误差(作为关于伪距或载波相位测量值的偏差出现)在参考接收器与用户接收器之间完全相关，但是大部分其他误差因素不是相关的，就是相关性作为它们之间距离的函数而减小。为了克服广域应用中DGPS系统内的误差源，已经开发了各种地域、广域或全球 DGPS (有时称作WADGPS)技术。典型的WADGPS包括与计算中心或集中器通信的多个参考站的网络。在集中器处基于参考站的已知位置和它们采用的测量值来计算误差修正。然后， 经由诸如卫星、电话或无线电之类的通信链路向用户传输计算的误差修正。通过使用多个参考站，WADGPS提供对误差修正更准确的估计。已经开发了多个不同技术以使用GPS载波相位测量值来获得高准确性差分导航。 具有最高准确性的技术是RTK技术，其产生约一厘米的典型准确性。然而，为了获得该准确性，必须确定差分载波相位测量值中的整周模糊度。当用户接收器与参考接收器之间的距离(基线距离)短时，RTK技术非常有利，因为在该情况中，可以不仅准确地而且快速地解算整周模糊度。另一方面，当基线距离超过几十千米时，确定整周模糊度可能变得不可能并且不能实现常规RTK准确性。RTK技术的另一限制是其需要在参考接收器与导航接收器之间维持本地无线电链路以及时地提供修正或测量数据。采用载波相位差分方法的WADGPS技术也可以实现非常高的导航准确性。WADGPS 差分技术通常其特征也在于可靠的长距离低频通信链路或可靠的卫星通信链路。因此，通常可以向导航接收器传送修正而没有显著的中断。然而，WADGPS技术通常将整周模糊度视作实值(非整数)变量并且对“浮点模糊度”求解，这通常定义得非常差，直到已经获得覆盖显著卫星几何改变的时间间隔的测量数据为止。因此，在WADGPS应用中，可能需要一个或两个小时那样长的时间间隔来利用足够的准确性对“浮点模糊度”求解，以产生具有小于 (即，好于)10厘米准确性的导航位置。
发明内容
某些实施方式包括一种用于组合标准RTK和WADGPS导航技术的使用使得每种技术的弱点都可以由另一技术的优势来补充的方法。WADGPS技术的主要劣势在于导航接收器花费长的消逝时间(有时超过一小时)来确定具有足够准确性的浮点模糊度值。这些浮点模糊度是为将载波相位测量值转换为准确的范围测量值所需的。RTK技术的主要劣势在于 其需要用户GPS接收器与参考GPS接收器之间的实时(通常是直线对传(line of site))数据链路；以及而且，仅在参考GPS接收器与用户GPS接收器之间的间隔距离相对短时才可以确定整周模糊度。这些单独的劣势可以通过根据本发明的一个实施方式而将RTK和WADGPS导航技术的使用组合来移除。该方法包括使用用户接收器的已知位置来初始化WADGPS系统中的浮点模糊度值以避免长“捕捉(pull-in)”时间。当用户接收器已经静止时，用户接收器的已知位置可以是调查位置或从之前操作获得的位置。当用户接收器正在移动时，可以使用 RTK系统来获得已知位置。因此，在组合操作中，当用于RTK导航的通信链路可用时，可以从RTK系统并且从后台运行的WADGPS码导航解两者获得用户接收器的位置、速率和时间(PVT)输出，并且它们的输出可以用于学习WADGPS数据值与相应的本地RTK参考数据值之间的偏移。在已经确定该偏移之后，可以随后使用由该偏移调整的RTK PVT输出以初始化WADGPS系统。或者，当丢失用于RTK导航的通信链路时，或当用户接收器离参考站太远而不能初始化RTK系统时， 可以将之前确定的偏移应用于来自于WADGPS解的PVT输出以获得相对于RTK基准(datum) 的准确位置。经由RTK系统的WADGPS的初始化避免了在用户GPS接收器的位置未知时对浮点模糊度值求解所需的常规15分钟到两个小时的“捕捉”时间。该组合系统提供了来自于WADGPS系统的非常准确的PVT解，而RTK系统是不可用或不准确的，并且使WADGPS技术对于实时高准确性定位和导航目的而言更实用。某些实施方式提供了一种方法，其在移动卫星导航接收器处用于计算本地定位系统与广域卫星定位系统之间的偏移。该移动卫星导航接收器确定移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中该第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器。该移动卫星导航接收器确定卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解。该移动卫星导航接收器然后计算第一解与第二解之间的偏移。某些实施方式提供了一种移动卫星导航接收器，其包括信号接收器，用于接收导航卫星信号；存储器；一个或多个处理器；以及存储在存储器中的一个或多个程序。该一个或多个程序包括指令，所述指令用于确定移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器；确定卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解；以及计算第一解与第二解之间的偏移。某些实施方式提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，该一个或多个程序被配置用于由移动卫星导航接收器中的一个或多个处理器执行。该一个或多个程序包括指令，所述指令用于确定移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器；确定卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解；以及计算第一解与第二解之间的偏移。
图1是根据某些实施方式的、WADGPS系统、本地定位系统以及本地RTK系统的组合的框图。图2是根据某些实施方式的、耦合至用户GPS接收器的计算机系统的框图。图3A是示出了根据某些实施方式的、用于组合WADGPS系统、本地定位系统、本地 RTK系统和/或本地定位系统的使用的方法的框图。图:3B是示出了根据某些实施方式的、用于使用本地RTK系统更新接收器位置的方法的流程图。
图4A是示出了根据某些实施方式的、使用WADGPS系统和本地RTK系统进行组合操作的过程流的流程图。图4B是示出了根据某些实施方式的、使用本地定位系统、本地RTK系统和/或 WADGPS系统的过程流的流程图。图5是示出了根据某些实施方式的、其中可以使用组合操作的情况的图示。图6是示出了根据某些实施方式的移动卫星导航接收器的框图。图7是表示根据某些实施方式的、用于计算本地定位系统与广域差分卫星定位系统接收器之间偏移的方法的流程图。同样的参考标号表示遍及附图的相应部分。
具体实施例方式■靴細立
图1示出了根据本发明一个实施方式的广域或全球差分GPS (WADGPS)系统100。如图 1所示，WADGPS系统100包括参考站120的网络，每个参考站120都具有GPS接收器122和一个或多个处理集中器105。参考站120持续地向集中器105提供原始GPS可观察量以供处理。这些可观察量包括GPS码和载波相位测量值、星历表以及根据在参考站120处从多个卫星110接收的信号而获得的其他信息。参考站120放置在跨越广域101(诸如大陆，对于广域DGPS系统而言)或跨越地球(对于全球DGPS网络而言)的已知位置处。集中器105 是处理GPS可观察量并计算DGPS连接的设施。如果提供多个独立的集中器，则它们在地理上分离并且并行操作是优选的。WADGPS系统100可以由一个或多个用户(或用户设备或对象)140利用，每个用户 140都具有用于定位和/或导航目的的用户GPS接收器142。在某些实施方式中，用户140 通过RTK无线电链路与附近的参考站120相关联，使得用户接收器142和附近的参考站120 形成本地RTK系统150。在某些实施方式中，用户140还可以与具有一个或多个地标176的本地定位系统174相关联。一个或多个地标176可以是有源的或无源的。一个或多个地标 176的每个都可以具有GPS接收器122。系统100还包括用于提供可靠传输机制的传统数据链路(未示出)，该可靠传输机制用于从参考站120向集中器105发送GPS可观察量并且用于从集中器105向参考站120 和用户140广播计算的修正。大陆的WADGPS系统通常具有约3到10个参考接收器，并且全球WADGPS系统通常具有约20到100个向集中器105馈送数据的参考接收器。在某些实施方式中，经由因特网从参考站120向集中器105发送GPS可观察量，并且还经由因特网从集中器向将上行链接到一个或多个卫星(未示出)的一个或多个陆地站(未示出)发送计算的修正，该一个或多个卫星然后广播计算的修正以供参考站120和用户接收器142接收。在某些实施方式中，用户或对象140还配备有耦合至用户GPS接收器142的计算机系统144。如图2所示，计算机系统144包括中央处理单元(CPU) 146、存储器148、一个或多个输入端口 154、一个或多个输出端口 156以及(可选的)用户接口 158，它们通过一个或多个通信总线152彼此耦合。存储器148可以包括高速随机访问存储器并且可以包括非易失性大容量存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备或闪存设备。存储器148优选地存储操作系统162、GPS应用过程164和数据库170。GPS应用过程164可以包括用于执行方法300的过程，如以下更详细地描述那样，方法300用于组合本地定位系统174、本地RTK系统150和/或WADGPS系统160的使用。存储在存储器148中的操作系统162以及应用程序和过程164由计算机系统144的CPU 146执行。存储器148 优选地还存储在GPS应用过程164的执行期间使用的数据结构，包括GPS伪距和载波相位测量值168、从集中器接收的GPS修正172、以及在本文档中讨论的其他数据结构。输入端口 IM用于从GPS接收器142接收数据、用于经由无线电链路124从本地定位系统174或本地RTK系统150中的参考站或地标120接收信息、以及用于经由卫星链路197从集中器105接收GPS修正和其他信息。输出端口 156用于经由无线电链路IM或声学或激光设备(未示出)向参考站或地标120输出数据。在某些实施方式中，计算机系统 144的CPU 146和存储器148与GPS接收器142集成到单个外壳内的单个设备中，如图2所示。然而，此类集成不是执行本发明的方法所需的。因此，用户或对象140可以同时或在不同时间从事三个不同的操作模式。用户或对象140可以以WADGPS模式、以RTK模式和/或以本地定位模式操作，其中在该WADGPS模式中用户或对象140使用WADGPS系统100定位自己或进行导航，在该RTK模式中用户或对象140使用本地RTK系统150定位自己或进行导航，而在该本地定位模式中用户或对象140 使用本地定位系统174定位自己或进行导航。当用户或对象140接近其可以与之相关联的一个或多个地标176以及可以维持用户或对象140与一个或多个地标176之间的通信链路时，用户可以使用一个或多个地标176关于该一个或多个地标176来定位自己。当用户或对象140接近其与之相关联的参考站120以及可以维持用户或对象140与参考站1206之间的无线电链路时，用户可以使用本地RTK系统150关于参考站120来定位自己。本地定位系统174和本地RTK系统150比WADGPS系统100更有优势，因为它们更准确并且可以快速解算整周整数模糊度，如下文所解释的那样。使用本地RTK系统150，当考虑到参考GPS接收器122和相关联的用户GPS接收器142关于/7个卫星110进行测量时，该测量可以用于根据矩阵形式的以下等式来对用户或对象140的位置进行求解
权利要求
1.一种方法，包括 在移动卫星导航接收器处，确定所述移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中所述第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器；确定所述卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解；以及计算所述第一解与所述第二解之间的偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一本地定位系统包括实时动态(RTK)定位系统；以及其中所述第一解是RTK解。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分全球定位系统(WADGPS)；以及其中所述第二解是WADGPS解。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分GL0NASS定位系统；以及其中所述第二解是广域差分GL0NASS定位系统解。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分Galileo定位系统；以及其中所述第二解是广域差分Galileo定位系统解。
6.根据权利要求1所述的方法，包括在所述移动卫星导航接收器处存储偏移。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置的所述第一解包括在所述移动卫星导航接收器处确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统内的第一参考接收器的位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一参考接收器不确定所述第一参考接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置的所述第二解包括计算到多个卫星的折射修正码伪距；将广域差分卫星定位系统修正应用于所述折射修正码伪距；以及使用最小二乘解来计算所述移动卫星导航接收器的位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在指定时段上对所述偏移进行平均。
11.根据权利要求1所述的方法，包括以第一模式操作所述移动卫星导航接收器，包括确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置。
12.根据权利要求11所述的方法，包括在所述移动卫星导航接收器处将所述偏移应用于所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置，以确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置。
13.根据权利要求11所述的方法，包括在所述移动卫星导航接收器处使用所述偏移来初始化以广域差分卫星定位系统模式使用的浮点模糊度，其中在以所述广域差分卫星定位系统模式操作期间，所述移动卫星导航接收器的位置相对于所述广域差分卫星定位系统来确定。
14.根据权利要求13所述的方法，包括以广域差分卫星定位系统模式操作所述移动卫星导航接收器；以及在所述移动卫星导航接收器处确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置。
15.一种移动卫星导航接收器，包括 信号接收器，用于接收导航卫星信号； 存储器；一个或多个处理器；以及存储在所述存储器中的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令用于确定移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中所述第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器；确定所述卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解；以及计算所述第一解与所述第二解之间的偏移。
16.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述第一本地定位系统包括实时动态(RTK)定位系统；以及其中所述第一解是RTK解。
17.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分全球定位系统(WADGPS)；以及其中所述第二解是WADGPS解。
18.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分GL0NASS定位系统；以及其中所述第二解是广域差分GL0NASS定位系统解。
19.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述广域差分卫星定位系统包括广域差分Galileo定位系统；以及其中所述第二解是广域差分Galileo定位系统解。
20.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述一个或多个程序包括用于在所述移动卫星导航接收器处存储所述偏移的指令。
21.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中用于确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置的所述指令包括用于在所述移动卫星导航接收器处确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统内的第一参考接收器的位置的指令。
22.根据权利要求21所述的移动卫星导航接收器，其中所述第一参考接收器不确定所述第一参考接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置。
23.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中用于确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置的第二解的所述指令包括用于如下操作的指令计算到多个卫星的折射修正码伪距；将广域差分卫星定位系统修正应用于所述折射修正码伪距；以及使用最小二乘解来计算所述移动卫星导航接收器的位置。
24.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中在指定时段上对所述偏移进行平均。
25.根据权利要求15所述的移动卫星导航接收器，其中所述一个或多个程序包括用于以第一模式操作所述移动卫星导航接收器的指令，其包括用于确定所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置的指令。
26.根据权利要求25所述的移动卫星导航接收器，其中所述一个或多个程序包括用于将所述偏移应用于所述移动卫星导航接收器相对于所述第一本地定位系统的位置以确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置的指令。
27.根据权利要求25所述的移动卫星导航接收器，其中所述一个或多个程序包括用于使用所述偏移来初始化以广域差分卫星定位系统模式使用的浮点模糊度的指令，其中在以所述广域差分卫星定位系统模式操作期间，所述移动卫星导航接收器的位置相对于所述广域差分卫星定位系统来确定。
28.根据权利要求27所述的移动卫星导航接收器，其中所述一个或多个程序包括用于如下操作的指令以广域差分卫星定位系统模式操作所述移动卫星导航接收器；以及在所述移动卫星导航接收器处确定所述移动卫星导航接收器相对于所述广域差分卫星定位系统的位置。
29.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序被配置用于由移动卫星导航接收器中的一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于如下操作的指令确定所述移动卫星导航接收器相对于第一本地定位系统的位置的第一解，其中所述第一本地定位系统包括已知位置处的一个或多个参考接收器；确定所述卫星导航接收器相对于广域差分卫星定位系统的位置的第二解；以及计算所述第一解与所述第二解之间的偏移。
全文摘要
提供一种用于计算本地定位系统(150)与广域卫星定位系统(100)之间的偏移的移动卫星导航接收器(142)。移动卫星导航接收器(142)确定移动卫星导航接收器(142)相对于第一本地定位系统(150)的位置的第一解，其中第一本地定位系统(150)包括已知位置处的一个或多个参考接收器(122)。移动卫星导航接收器(142)确定卫星导航接收器(142)相对于广域差分卫星定位系统(100)的位置的第二解。然后，移动卫星导航接收器(142)计算第一解与第二解之间的偏移。
文档编号G01S19/48GK102326092SQ200980157237
公开日2012年1月18日 申请日期2009年7月24日 优先权日2008年12月22日
发明者C.王, D.J.埃斯林格, L.L.戴, R.R.黑奇, R.T.夏普 申请人:纳夫科姆技术公司