专利名称：全球导航卫星天线系统和方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统，且更明确地说，涉及全球导航卫星天线系统和方法。
背景技术：
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)天线系统和方法。
GNSS是指用以确定实际上全世界任何地方的用户的接收器的位置的各种基于卫星的导航系统。目前操作中的若干GNSS系统包含(例如)由美国操作的全球定位系统 (GPS)和由俄罗斯联邦操作的全球轨道导航卫星系统(GL0NASS)。GNSS被军用部门和民用部门广泛使用。
每一 GNSS包含与地面站网络一起工作来使用三角测量的形式以定位用户的接收器的多个卫星。每一卫星以精确的间隔来发射经编码信号。用户的接收器将接收到的信号转换成位置、速度和时间估计。接收器可接着计算发射卫星的确切位置以及(由发射时间延迟来计算)发射卫星与接收器之间的距离。通过协调来自多个卫星的信号数据，接收器能够确定其位置。
虽然GNSS对定位接收器的位置提供高度可靠且准确的能力，但并不是没有出错。 GNSS性能可能会遭受若干误差，包含电离层延迟、对流层延迟、接收器噪声和多路径。多路径(本文中也被称作相位多路径和伪距离多路径)是GNSS应用中主要的误差来源。
多路径是指在来自单个来源的波经由两个或两个以上的路径行进到接收器而导致同一个波的分量异相时出现的现象。这可以是(例如)由于来自例如建筑物、地面、树木、 水面等物体的对信号的外来反射而发生。在合适的条件下，波的两个(或两个以上)分量可发生干涉，从而导致接收器中的追踪误差。
已使用各种技术来尝试减轻由多相引起的问题，包含改进的天线设计、改进的接收器内部结构以及改进的后处理技术。
在最佳条件下，GNSS系统允许毫米级的定位。然而，在遭受多路径问题的环境中， 误差可以按2到5倍的倍数来增长。因此，相位多路径仍然是GNSS定位中的主要问题。发明内容
一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径的方法包含从相对于所述固定或几乎固定的位置不断地移动的天线接收信号，所述信号包含多路径分量；处理包含所述多路径分量的所述接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述接收到的信号中的多路径误差；以及基于所述多路径误差减少的所述经处理的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径的系统包含移动平台，其上面安装有天线，所述移动平台使所述天线相对于所述固定或几乎固定的位置不断地移动；接收器，用于从所述不断地移动的天线接收信号，所述信号包含多路径分量；处理器，用于处理包含所述多路径分量的所述接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述接收到的信号中的多路径误差；以及位置确定单元，用于基于所述多路径误差减少的所述经处理的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径误差的系统包含多个天线，其布置在相对于所述固定或几乎固定的位置固定的位置中；组合单元，用于组合来自所述多个天线的信号以及输出复合的接收到的信号，所述复合的接收到的信号包含多路径分量；处理器，用于处理包含所述多路径分量的所述复合的接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述复合的接收到的信号中的多路径误差；以及位置确定单元，用于基于所述多路径误差减少的所述经处理的复合的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
将易于获得对本发明和其许多伴随优点的更完整了解，因为在结合附图考虑时通过参考以下详细描述能更好地理解本发明和其许多伴随优点，在附图中
图IA展示GNSS系统中多路径的可能原因的实例；
图IB展示相干的直接接收到且经反射的信号的相差；
图2展示速度对多路径干涉的影响；
图3A展示静态多路径的模拟的实例；
图3B展示根据本发明的实施例的按圆形图案移动的天线的多路径的模拟的实例；
图4展示固定天线四周的区域中的LI载波相位多路径误差的模拟的实例；
图5展示根据本发明的实施例的安装在旋转平台上的天线的实例的顶视图6展示根据本发明的实施例的安装在旋转平台上的天线的侧视图7A、图7B展示根据本发明的实施例的将来自在平台上旋转的天线的信号提供给接收器的方式的实例；以及
图8展示根据本发明的实施例的在垂直方向上移动的天线的实例；
图9和图10展示根据本发明的实施例的对安装在正在旋转的平台上的天线的可观测量的实验结果；
图11和图12展示根据本发明的实施例的对安装在不在旋转的平台上的天线的相同可观测量的实验结果；
图13描绘根据本发明的实施例的固定天线阵列布置；
图14是用于描述用于组合来自多个天线的输出信号的系统的示意图15描绘组合两个信号；以及
图16描绘根据本发明的实施例的天线输出信号的增益的实例。
具体实施方式
陈述以下示范性实施例以辅助理解本发明的标的，但所述示范性实施例无意且不能被理解为以任何方式限制所附权利要求书。因此，虽然为清楚起见使用特定术语来描述一些示范性实施例，但是本发明无意限于如此选择的特定术语，且应理解，每一特定元件包含以类似方式操作的所有技术等效物。
虽然大气的各个层可影响卫星信号，但是载波一般是从卫星(S)沿直线(D)传播到接收器/天线(A)，如图IA中所示。多路径是由载波从附近物体(例如，建筑物(B))反射(R)造成的结果。反射可由许多其它类型的人造结构和/或自然形成的表面(例如，包含地面、树木、水等)造成。图IB描绘当相干波⑶和(R)沿两个不同路径行进且到达接收器/天线(A)时的相移e。
本质上，相位多路径误差随时间过去发生的改变相对缓慢。这对于固定或几乎固定的天线尤其成立。举例来说，对于固定或几乎固定的天线，相位多路径误差随时间的改变可以在分钟范围或更长的范围中。另一方面，就移动天线而论，相位多路径误差实质上较快地改变。
在处理期间可相对快速地将快速改变的多路径信号平均掉或滤掉，而在处理期间不容易将缓慢改变的多路径信号平均掉或滤掉。因此，多路径对定位的影响在移动天线的情况下比在固定天线的情况下产生的影响少得多。这个现象说明于图2中，图2展示天线速度(V)对多路径干涉的影响。如图所示，多路径干涉随天线的速度增加而减小。
本发明涉及减少GNSS系统中多路径的影响且尤其是减少对固定或几乎固定GNSS 天线的影响，在固定或几乎固定GNSS天线的情况下，多路径干涉一般来说是最高的。
图4是展示由三个镜面反射器造成的在固定天线四周+/-25cm的区域中的LI载波相位多路径误差的模拟的图像。所述图像展示天线四周的区域中的最大值和最小值。
根据本发明的实施例，使GNSS接收器天线相对于固定或几乎固定的位置按覆盖所述信号的至少一个波长的定义明确的图案来移动。具体来说，天线应该按某图案移动， 以使得经历天线附近的可能多路径影响的最大值和最小值。举例来说，对于具有特定波长 (对于GPS LI是19cm，对于GPS L2是24cm)的GNSS信号来说，天线的路径应该覆盖所述天线的至少一个波长，使得所追踪的数据将经历天线附近的可能多路径影响的最大值和最小值。以此方式，多路径将与天线移动一样快地改变，且将包含最大和最小多路径值。因此， 将通常相对缓慢地改变的多路径转换成相对较快地改变的多路径。这允许在处理期间将多路径有效地平均掉或滤掉。此外，如果天线的运动路径是已知的，那么在移动天线处接收到的信号可用来返回参考实际的相关位置(例如，天线在其周围移动的固定或几乎固定的位置)。
图3A展示模拟的结果的实例，其中三个镜面反射器布置在静态天线附近。X轴表示时间(t)，以秒为单位，且y轴表示相位多路径误差的改变，以米为单位。如图所示，此改变相当缓慢。由于相位多路径误差在所述时段内展示很少的循环图案或没有循环图案，因此在处理期间不将多路径平均掉。足够快地执行任何类型的计算将多路径误差平均掉以成为任何实际使用将是困难的。
图3B展示按具有25cm直径的圆形图案移动的天线的相同模拟，25cm大于GNSS的波长(例如，L1、L2)。如图所示，所追踪数据的多路径以更快的速率(例如，与天线沿圆形路径移动的速率成比例)来经历天线附近的可能多路径影响的最大值和最小值。由于移动天线的多路径误差展示以相对较快的速率改变的循环图案，因此在处理期间易于将多路径误差平均掉或滤掉。
根据图5中所展示的本发明的实施例，天线40布置在旋转平台42上。天线40安装在离轴44至少约12cm处，旋转平台42在所述轴处旋转。平台42可在顺时针方向或反时针方向上旋转，如由箭头46所示。以此方式，当平台42旋转时，天线40将按具有24cm 直径的圆形来移动。用于提供此运动范围的系统的实例展示于图6中。如图所示，根据本发明的此实施例，天线40布置在旋转平台42上，旋转平台42由驱动电动机50经由驱动轴 48驱动。
平台42旋转的速度应该是至少IOrpm且优选为30rpm，使得多路径信号的改变速率足以在处理器期间被有效地平均掉或滤掉。当然，只要可以用另一种方式(例如，利用角传感器)来确定天线在移动期间的相对位置，那么旋转速度就可以变化。
提供一种系统，其用于以避免扭曲和损害天线缆线的方式将来自在平台42上旋转的天线的信号传达给接收器。根据一个实施例，这可以通过在与天线72相同的平台42 上设置接收器70来完成，如图7A中所示。天线72可接着经由屏蔽缆线(未图示)直接连接到接收器70。接收器70还可具备用于将接收到的信息(可观测量)发射到设置在与平台不同的位置处的另一个接收器74以被用户容易看到的无线能力。
根据图7B中展示的另一个实施例，可提供例如环形轮76等装置以用于将来自在平台上旋转的天线的信号传送给固定接收器。导电刷78a、78b以圆形图案布置在平台42 的底部上。对应的导电刷80a、80b以对应的圆形图案布置在固定环形轮76上。在平台42 旋转时，刷78a与刷80a连续地电接触。在平台42旋转时，刷78b与刷80b连续地电接触。 刷78经由缆线(未图示)电连接到天线40。刷80经由缆线(未图示)电连接到接收器 82。以此方式，可将由旋转天线40接收到的信号传达给固定接收器82。
根据本发明的另一个实施例，为了避免扭曲和损害天线缆线，图5、图6中展示的旋转平台可经布置以在一个方向上(顺时针方向上)移动360°且接着在另一个方向上 (反时针方向上)移动360°。
根据再一个实施例，天线缆线的扭曲问题可通过在垂直方向上上下移动天线来避免，如图8中所示。在此实施例中，天线应该上下移动了所述信号的至少一个波长的总距离。
虽然已展示上述实施例中的天线按圆形图案移动或在垂直方向上上下移动，但是应了解，本发明决不限于彼等特定图案或方向。举例来说，天线可能经布置以通过组合图6 和图8中展示的系统来按方向的组合移动。也就是，可使天线在垂直方向上上下移动且同时按圆形图案来回移动。根据再一个实施例，可使天线按覆盖天线四周更多区域的更复杂的图案来移动。举例来说，可使天线按周转圆移动。
为了将多路径误差有效地平均掉或滤掉，优选的是，无论使用什么图案，天线都会横穿使所追踪数据将经历天线附近的可能多路径影响的最大值和最小值的足够距离。
由于天线正在按已知图案移动，因此相对容易由从天线接收到的数据来确定实际的相对位置。举例来说，可使用步进电动机来使平台旋转。接着，可将步进电动机的位置且因此天线的位置提供给GNSS接收器。可接着使用接收到的GNSS信息和步进电动机位置信息来确定实际的相关位置的确切位置。举例来说，在天线绕着固定或几乎固定的位置旋转的实施例中，相关位置可为固定或几乎固定的位置本身。根据另一个实施例，可使用朝向传感器(旋转传感器)来确定旋转天线的位置(例如，朝向)。由此信息和接收到的GNSS信息，可容易地确定相关位置的位置。也可使用精确的GNSS RTK位置来确定天线的位置。
对于运动学定位来说，可在旋转天线平台上设置额外的惯性传感器，所述传感器可提供关于天线的短程运动的足够知识以允许获得位置误差的所要平均效果。原则上，减少定义明确的天线参考点的运动学(例如，在移动的自行装置上)数据可用与上述实施例类似的方式来执行。一个差异是必须要知道天线系统相对于GNSS坐标系统(例如，WGS84) 的相对方位。然而，当使用INS或其它姿态传感器(如绝对朝向和倾斜传感器)时，用于确定天线系统相对于GNSS坐标系统的相对方位的方法是众所周知的。
对于静态接收器(例如，参考站)来说，可观测量(例如，代码和相位测量)可返回参考已界定的站位置，因此得到明显的静态可观测数据串流以便由常规处理软件进行处理。所述技术可同时适用于移动用户和参考站。
为了变换从移动天线处收集到的测量以参考固定天线参考点，可使用以下方法令
权利要求
1.一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径误差的方法，所述方法包括从相对于所述固定或几乎固定的位置而不断地移动的天线接收信号，所述信号包含多路径分量；处理包含所述多路径分量的所述接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述接收到的信号中的多路径误差；以及基于所述多路径误差减少的所述经处理的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述天线是在所述固定或几乎固定的位置四周按圆形图案来移动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述圆形图案的直径等于至少一个GNSS波长。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述直径是至少24cm。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述天线是按周转圆来移动。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述天线是按某图案移动以使得横越至少一个 GNSS波长的最小值和最大值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述至少一个GNSS波长是基于GPSL2载波频率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述GNSS波长为约24cm。
9.根据权利要求I所述的方法，其中所述天线是相对于所述固定或几乎固定的位置而不断地垂直移动。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述天线上下移动了对应于至少一个GNSS波长的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述至少一个GNSS波长为约24cm。
12.根据权利要求I所述的方法，其中所述确定步骤包括确定所述天线的位置以及由此返回参考所述固定或几乎固定的位置的所述位置。
13.根据权利要求I所述的方法，其中在所述处理期间将所述多路径误差平均掉。
14.根据权利要求I所述的方法，其中在处理期间将所述多路径误差滤掉。
15.一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径误差的系统，所述系统包括移动平台，其上面安装有天线，所述移动平台使所述天线相对于所述固定或几乎固定的位置而不断地移动；接收器，用于从所述不断地移动的天线接收信号，所述信号包含多路径分量；处理器，用于处理包含所述多路径分量的所述接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述接收到的信号中的多路径误差；以及位置确定单元，用于基于所述多路径误差减少的所述经处理的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
16.根据权利要求15所述的系统，其中旋转所述移动平台以使所述天线在所述固定或几乎固定的位置四周按圆形图案来移动。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述圆形图案在所述固定或几乎固定的位置上居中。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述天线安装在所述移动平台上与所述固定或几乎固定的位置相距对应于一个GNSS波长的至少一半的距离处。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述GNSS波长为约24cm。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述移动平台使所述天线按周转圆来移动。
21.根据权利要求15所述的系统，其中所述移动平台使所述天线按某图案移动以使得横越至少一个GNSS波长的最小值和最大值。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述至少一个GNSS波长是基于GPSL2载波频率。
23.根据权利要求22所述的系统，其中所述GNSS波长为约24cm。
24.根据权利要求15所述的系统，其中所述移动平台使所述天线相对于所述固定或几乎固定的位置而不断地垂直移动。
25.根据权利要求24所述的系统，其中所述天线上下移动了对应于至少一个GNSS波长的距离。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述至少一个GNSS波长为约24cm。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述位置确定单元确定所述天线的位置以及由此返回参考所述固定或几乎固定的位置的所述位置。
28.根据权利要求15所述的系统，其中在所述处理期间将所述多路径误差平均掉。
29.根据权利要求15所述的系统，其中在处理期间将所述多路径误差滤掉。
30.一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径误差的系统，所述系统包括多个天线，其布置在相对于所述固定或几乎固定的位置为固定的位置中；组合单元，用于组合来自所述多个天线的信号以及输出复合的接收到的信号，所述复合的接收到的信号包含多路径分量；处理器，用于处理包含所述多路径分量的所述复合的接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述复合的接收到的信号中的多路径误差；以及位置确定单元，用于基于所述多路径误差减少的所述经处理的复合的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
31.根据权利要求30所述的系统，其中所述组合单元包括多个可变衰减器，其各自从所述多个天线中的一者接收信号，每一可变衰减器衰减或放大并输出所述接收到的信号；以及混频器，用于组合所述可变衰减器的输出并输出所述复合的接收到的信号。
32.根据权利要求31所述的系统，其进一步包括衰减控制器，所述衰减控制器用于控制所述可变衰减器中的每一者以使得在经界定的时段内衰减或放大每一接收到的信号并予以输出。
33.根据权利要求32所述的系统，其中衰减周期与放大周期之间的转变对于每一信号来说是逐渐的。
34.根据权利要求33所述的系统，其中除了在转变期间之外，每次仅将来自所述天线中的一者的一个信号输出到所述混频器。
35.根据权利要求34所述的系统，其中在转变期间，通过逐渐地衰减来自两个天线的信号中的一个信号而逐渐地放大另一个信号来逐渐地混合所述信号。
36.根据权利要求30所述的系统，其中所述处理器和所述位置确定单元包括GNSS接收器。
37.根据权利要求30所述的系统，其中在所述处理期间将所述多路径误差平均掉。
38.根据权利要求30所述的系统，其中在处理期间将所述多路径误差滤掉。
39.一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径误差的方法，所述方法包括从布置在相对于所述固定或几乎固定的位置为固定的位置中的多个天线接收信号；组合来自所述多个天线的所述信号以及输出复合的接收到的信号，所述复合的接收到的信号包含多路径分量；处理包含所述多路径分量的所述复合的接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述复合的接收到的信号中的多路径误差；以及基于所述多路径误差减少的所述经处理的复合的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述组合步骤包括选择性地衰减或放大所述接收到的信号；以及组合所述经衰减或经放大的信号并输出所述复合的接收到的信号。
41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包括在经界定的时段内衰减或放大每一接收到的信号。
42.根据权利要求41所述的方法，其中衰减周期与放大周期之间的转变对于每一信号来说是逐渐的。
43.根据权利要求42所述的方法，其中在转变期间，通过逐渐地衰减来自两个天线的信号中的一个信号而逐渐地放大另一个信号来逐渐地混合所述信号。
44.根据权利要求39所述的方法，其中在所述处理期间将所述多路径误差平均掉。
45.根据权利要求39所述的方法，其中在处理期间将所述多路径误差滤掉。
全文摘要
一种用于在确定固定或几乎固定的位置的位置时减少多路径的方法包含从相对于所述固定或几乎固定的位置而不断地移动的天线接收信号，所述信号包含多路径分量；处理包含所述多路径分量的所述接收到的信号，其中在所述处理期间减少所述接收到的信号中的多路径误差；以及基于所述多路径误差减少的所述经处理的接收到的信号来确定所述固定或几乎固定的位置的位置。
文档编号G01S19/22GK102540205SQ20111036649
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者乌尔利希·沃拉芙 申请人:崔宝导航有限公司