专利名称：使用区域增强定位的gnss信号处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)领域。特别地，本发明涉及用于为了加强的精确点定位使用区域增强处理GNSS数据的方法和设备。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)包括全球定位系统(GPS)、Glonass系统、提出的Galileo系统、提出的Compass系统等等。每个GPS卫星都使用分别位于频率1575. 4IMHz 和1227. 60MHz的两个L频带中的无线电频率(分别称为LI和L2)连续地传送。在LI上传送两类信号，一类用于民用用户，另一类用于由美国国防部(DoD)授权的用户。在L2上传送有一类信号，只用于DoD授权的用户。每个GPS信号都具有位于LI和L2频率的载波、伪随机号(PRN)码和卫星导航数据。每个卫星都传送两种不同的PRN码粗捕获(C/A，coarseacquisition)码和为DoD授权用户加密的精捕获(P/Y)码。每个C/A码都是1023比特的唯一序列，其每毫秒重复一次。其它GNSS系统同样也具有在多个载波频率上传送多个信号的卫星。图I示意性示出典型的用来确定移动接收机(漫游器(rover))的位置的现有技术场景。漫游器100从视野中的任意数量的卫星(比如SV1、SV2和SVM，它们分别示为110、120和130)接收GPS信号。信号穿过地球的电离层140，并穿过地球的对流层150。每个信号都具有两个频率，LI和L2。接收机100从信号确定出分别到每个卫星的伪距PR1、PR2，,PRM0伪距确定会因信号路径的变化而失真，信号路径的变化产生自信号穿过电离层140和对流层150的通路以及如160处示意性示出的多径效应。可以使用C/A码来确定伪距，其误差约为一米，不使用只供军用的P/Y码的民用接收机确定漫游器位置的误差的量级为米。然而，对LI和L2载波的相位的测量精确度为O. 01-0. 05个周期(对应于伪距误差为2毫米-I厘米)，这允许以毫米到厘米的范围内的误差来估计漫游器的相对位置。对LI和L2载波的相位的精确测量要求针对所有观测次数，都对电离层和对流层的效应有好的了解。相对定位使得允许通过对漫游器的观测结果和位于 漫游器附近(例如50-100公里内)已知位置的参考站的观测结果进行区分，来缓解公共模式误差。参考站观测结果可以在物理基站处被收集，或从参考站网络的观测结果来估计。例如，参见美国专利5，477，458“Network for Carrier Phase Differential GPS Corrections”以及美国专利5,899,957 “Carrier Phase Differential GPS Corrections Network”。精确点定位(PPP)(也被称为绝对定位)使用单个GNSS接收机与精确卫星轨道和时钟数据一起来减少卫星相关误差源。双频接收机可移除电离层对定位解的(厘米到分米)一阶效应。为了达到厘米精确度而需要等待比浮动位置解所需的时间更长的时间限制了对PPP的利用。并且，与相对定位技术(其中通过对观测结果的区分来消除公共模式误差)不同的是，PPP处理使用未区分的载波相位观测结果，从而卫星和接收机相位偏差对模糊度项有所损坏。已经针对PPP处理中的整数模糊度分辨率提出了方法。例如，参见GNSSSolutions:Precise Point Positioning and Its ChallengesCInside GNSS,2006年 11/12月刊，第16-18页，作者Y. Gao等)。还可参见于2009年9月19日提交的美国专利临时申请61/277， 184 (TNL A-2585P)。期望改进的GNSS处理方法和设备，尤其为了实现对解的更快收敛、改进的精确度和/或更好的可用性。
发明内容
提供了为了加强的精确定位对具有增强的GNSS数据进行处理的改进的方法和设备。本发明的一些实施例提供了用于处理从多频码和载波观测结果得到的GNSS数据的方法和设备，其使得校正数据对于位于区域内的漫游器是可使用的，所述校正数据包括区域上的电离层延迟、区域上的对流层延迟、按每个卫星的相位分级几何校正以及至少一个按每个卫星的码偏差。一些实施例提供了用于确定位于区域内的漫游器的精确位置的方法和设备，其中，GNSS接收机被运行以便获得多频码和载波观测结果和校正数据，以便从所述校正数据创建漫游器校正，以及使用漫游器观测结果和漫游器校正来确定精确的漫游器位置。在一些实施例中，所述校正数据包括至少一个按每个卫星的码偏差、按每个卫星的固定性质MW偏差和/或从中能导出按每个卫星的固定性质MW偏差的值、以及针对多个区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟和/或非电离层校正。
在一些实施例中，所述校正数据包括至少一个按每个卫星的码偏差、按每个卫星的固定性质MW偏差和/或从中能导出按每个卫星的固定性质MW偏差的值、以及针对多个区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟和按每个卫星的电离层相位偏差和/或非电离层校正。一些实施例提供了用于对包含校正数据的校正消息进行编码和解码的方法和设备，其中网络消息包括涉及网络的基本所有站的网络元素，并且集群消息包括涉及网络的子集的集群元素。一些实施例提供了根据所述方法准备的并且适于由网络区域内的移动GNSS接收机广播和使用的区域校正数据流。一些实施例提供了包含用于实现所述方法的指令的计算机程序产品。
参照附图可以从以下描述的实施例中更容易地理解本发明的这些及其它方面和特征，其中图I示意性示例出用于确定漫游器位置的典型现有技术场景；图2示意性示例出根据本发明的一些实施例的系统；图3示意性示例出根据本发明的一些实施例的全球网络处理器；图4示意性示例出根据本发明的一些实施例的区域网络处理器；图5示意性示例出根据本发明的一些实施例的区域网络处理；图6示意性示例出根据本发明的一些实施例的增强的精确点定位；图7示意性示例出根据本发明的一些实施例为了增强的精确点定位生成合成参考站数据；图8示意性示例出根据本发明的一些实施例使用差分处理的增强的精确点定位；图9示意性示例出根据本发明的一些实施例使用差分处理的增强的精确点定位；图10示意性示例出根据本发明的一些实施例使用差分处理的增强的精确点定位；图11示意性示例出根据本发明的一些实施例对合成参考站观测结果的构建；图12示意性示例出电离层壳空间(ionospheric shell)和围绕地球的对流层壳空间的一部分；图13示例出从卫星到接收机的穿过对流层的倾斜射线路径；图14示例出沿倾斜路径的总电子内容与垂直总电子内容之间的关系；图15示例出电离层参数如何相对于参考点描述刺穿点处的电离层；图16示意性示例出根据本发明的一些实施例的对流层缩放；图17示意性示例出根据本发明的一些实施例确定的用于几何校正项的位置的间隔;图18示意性示例出根据本发明的一些实施例用于从三个任意位置处的几何校正确定漫游器位置处的几何校正的线性模型；图19示意性示例出物理基站位置PBS处的电离层延迟IPBS和合成参考站位置SRS处的电离层延迟ISRS ；
图20示意性示例出根据本发明的一些实施例的区域校正消息编码；图21示意性示例出根据本发明的一些实施例的区域网络站的集群； 图22示出根据本发明的一些实施例位于具有集群的区域网络中的漫游器的示例；图23是根据本发明的一些实施例的计算机系统的示意图；以及图24是根据本发明的一些实施例的GNSS接收机系统的示意图。
具体实施例方式第I部分简介根据一些实施例的方法和设备涉及使得具有对GNSS卫星信号的漫游器观测结果的校正数据对于位于区域内的漫游器的精确导航或定位是可用的，和/或使用所述具有对GNSS卫星信号的漫游器观测结果的校正数据对位于区域内的漫游器进行精确导航或定位。所述校正数据包括(I)至少一个按每个卫星的码偏差，即，按每个卫星的固定性质MW偏差(或从中可导出按每个卫星的固定性质MW偏差的值)；(2)从网络固定双差模糊度导出的按每个卫星的相位分级几何校正；以及(3)用于多区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟，以及可选地按每个卫星的电离层相位偏差，和/或非电离层校正。通过分布在所述区域的网络的参考站至少部分地从GNSS卫星信号的码和载波相位观测结果确定所述校正。从区域参考站网络的固定模糊度(例如，双差)导出码偏差。校正使得能够对参考站的码和相位观测结果进行重构。重构几何部分(无电离层观测结果组合)的能力是基于按每个卫星的相位分级几何校正项。该几何校正项对模糊度的整数性质进行封装，并对在区域参考站网络中看到的轨道误差和卫星时钟误差进行补
\-ZX O如果区域网络的m个站观测η个卫星，则在每个GNSS频率上传送mXn个观测结果和mXn个载波观测结果所需要的传输带宽将是不现实的。本发明的一些实施例充分地降低了该带宽需求。根据一些实施例，只为所述η个卫星中的每一个传送一个或三个几何校正。根据一些实施例，只为所述η个卫星中的每一个传送一个码偏差。可选地，只为所述m个站中的每一个传送一个对流层值。区域网络校正的非电离层部分包括码偏差、相位分级几何校正和可选的对流层值。在一些实施例中，区域参考站网络校正的电离层部分是基于观测结果空间的。它是从电离层载波相位双频组合减去从对区域网络观测结果的处理确定的模糊度导出的。这样，可选地，mXn个电离层校正被传送以用于处理漫游器观测结果。在一些实施例中，使用从网络估计的绝对电离层模型，或全球/区域电离层模型(比如WAAS、IONEX或GAM);按每个卫星以及按每个站的电离层相位偏差是与按每个卫星每个站的电离层校正一起导出的。这样，可选地，mXη个电离层校正加上η个电离层相位偏差被传送以用于处理漫游器观测结果。可以使用几何部分(相位分级几何校正和对流层校正)与电离层部分(电离层校正和可选的电离层相位偏差)一起，完整地重构区域网络的参考站(例如在载波LI和L2上)的载波相位观测结果。如果未提供可选的对流层校正，则可在漫游器处理中估计漫游器处的对流层延迟，所付出的代价是较慢的收敛。具有漫游器接收机的未处理的LI和L2载波-相位观测结果的对区域网络站的重构观测结果的双差导致接近整数的模糊度值。这一途径的一些优势如下〇不需要主站。这将导致用来生成合成参考站数据的算法更加简单，以及用来在校正消息被传送以用于处理漫游器观测结果时对校正数据进行编码和解码的负担更小。〇多径减弱以及噪声降低。使用区域参考站网络中的所有站来生成按每个卫星的相位分级几何校正项。重构的观测结果从而减轻所有站的多径，而不是固有的减轻主站的整体多径和噪声。此外，在一些实施例中，电离层部分由区域网络处理器在时间上进行平滑处理，以降低噪声。〇当漫游器移动到由区域网络覆盖的区域中时，从只是全球网络校正平滑的转变到使用区域校正进行增强的全球校正。区域校正将按每个卫星的几何校正与电离层和/或非电离层校正一起添加。当漫游器移动到由区域网络覆盖的区域中时，对漫游器观测结果的处理将立即从所添加的区域校正受益。 〇带宽减小。使用例如80个参考站的区域网络来追踪12个卫星，即使没有进行最优化处理(下文中将描述)，约220(Γ2500比特/秒的传输带宽也应提供10秒的更新速率，这之所以成为可能，是由于消息的信息内容发生了改变。第2部分重构码和载波-相位观测结果2. I具有固定双差模糊度的载波-相位观测结果数据GPS L1和L2载波相位观测结果可由下式表示
L1 = — ρ + + /| + c ■ (/'. — Is) + Ajf — +A1N1 + V1( I )
f.
4 - - Ρ + Γ + ^τ/, +c.-(ir—f) + *;——￥V1(2 )
~I1-—-——其中，L1与L2是公制单位的L1与L2载波相位观测结果，料与％是周期中L1与L2载波相位观测结果，P是接收机与卫星的天线相位中心之间的几何距离，T是对流层延迟，I1是L1电尚层延迟，ts与仁分别是卫星时钟误差和接收机时钟误差，鮮与^分别是卫星L1相位偏差和卫星L2相位偏差， '与Ι 分别是接收机L1相位偏差和卫星L2相位偏差，N1与N2分别是“真实” L1与L2整数模糊度，以及V1与V2分别是LI与L2的相位噪声加多径效应。无电离层载波-相位观测结果可表示为下式Lw = P + T + c · (lr -is) + b'c -bsc + Nc + uc( 3 )其中，Nc+ N2 = Λ； + N2(4)
λ~^ — A; — A^2 —々An
是无电离层模糊度，
权利要求
1.一种用于确定位于区域内的漫游器的精确位置的方法，包括 a.操作接收机以获得包括至少两个载波频率上的GNSS信号的码观测结果和载波-相位观测结果的漫游器观测结果； b.接收校正数据,所述校正数据包括 至少一个按每个卫星的码偏差； 下列至少一个(i)按每个卫星的固定特性MW偏差，以及(ii)从中可导出按每个卫星的固定特性■偏差的值；以及 下列至少一个针对多个区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟，以及(iv)非电离层校正； c.从所述校正数据创建漫游器校正；以及 d.操作处理器以使用所述漫游器观测结果和所述漫游器校正来确定精确的漫游器位置。
2.根据权利要求I的方法，其中，所述按每个卫星的码偏差包括由全球网络处理器估计的按每个卫星的码偏差。
3.根据权利要求1-2之一的方法，其中，所述按每个卫星的电离层延迟包括从多个区域网络站的观测结果估计的电离层延迟。
4.根据权利要求1-2之一的方法，其中，所述按每个卫星的电离层延迟是从所述区域上的电离层延迟模型估计的。
5.根据权利要求I的方法，其中，所述校正数据进一步包括按每个卫星的电离层相位偏差。
6.根据权利要求1-5之一的方法，其中，所述非电离层校正包括针对多个区域网络站中的每一个的对流层延迟。
7.根据权利要求1-6之一的方法，其中，所述非电离层校正包括按每个卫星的几何校正。
8.根据权利要求1-7之一的方法，其中，所述非电离层校正包括针对在所述接收机处的视野中的每个卫星的表示卫星位置误差和卫星时钟误差的几何校正。
9.根据权利要求8的方法，其中，从所述数据集创建漫游器校正包括，用在所述漫游器处观测的相应卫星来识别每个几何校正。
10.根据权利要求8-9之一的方法，其中，使用所述漫游器观测结果和所述漫游器校正来确定精确的漫游器位置包括使用(i )广播星历表和(ii )精确星历表中的至少一个来确定按每个卫星的几何范围，以及针对每个卫星应用对所述几何范围的所述几何校正以获得按每个卫星的经过校正的几何范围。
11.根据权利要求1-10之一的方法，其中，所述非电离层校正包括，针对在所述漫游器处的视野中的每个卫星的针对所述区域中的三个位置中的每一个的几何校正，并且其中，从所述校正数据创建漫游器校正包括，针对在所述漫游器处的视野中的每个卫星，从所述三个位置的所述几何校正确定近似漫游器位置的几何校正。
12.根据权利要求1-11之一的方法，其中，所述校正数据包括在多个区域网络站处按每个卫星的电离层延迟，并且其中，从所述数据集创建漫游器校正包括插入关于所述大概位置的电离层延迟。
13.根据权利要求1-11之一的方法，其中，所述校正数据包括在多个区域网络站处按每个卫星的电离层延迟以及按每个卫星的电离层相位偏差，并且其中，从所述数据集创建漫游器校正包括，针对每个卫星，为所述大概位置插入绝对电离层延迟并与所述电离层相位偏差进行合并。
14.根据权利要求1-13之一的方法，其中，所述数据集包括在多个区域网络站处按每个卫星的对流层延迟，并且其中，从所述数据集创建漫游器校正包括插入关于所述大概位置的对流层延迟。
15.根据权利要求1-14之一的方法，其中，使用所述漫游器观测结果和所述漫游器校正来确定精确的漫游器位置包括将所述漫游器校正与所述漫游器观测结果进行合并，以获得经过校正的漫游器观测结果，以及从所述经过校正的漫游器观测结果确定所述精确的漫游器位置。
16.根据权利要求1-14之一的方法，其中，使用所述漫游器观测结果和所述漫游器校正来确定精确的漫游器位置包括 a.使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量；以及 b.使用所述模拟参考站可观测量对所述漫游器观测结果进行差分处理，以获得所述精确的漫游器位置。
17.根据权利要求16的方法，其中，使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量包括，使用所述漫游器校正来为在所选位置处可观测的多个卫星中的每一个估计至少一个模拟参考站载波-相位观测结果。
18.根据权利要求16-17之一的方法，其中，使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量包括，使用所述漫游器校正来为在所述所选位置处可观测的多个卫星中的每一个估计至少一个模拟参考站码观测结果。
19.根据权利要求16-18之一的方法，其中，所述所选位置是(i)所述漫游器的所述大概位置和(ii)在所述漫游器的所述大概位置的100米之内的位置。
20.根据权利要求16-19之一的方法，其中，使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量是在距所述漫游器远程位置处的处理器中执行的。
21.根据权利要求16-19之一的方法，其中，使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量是在所述漫游器处的处理器中执行的。
22.—种计算机程序产品，包括计算机可用介质，该介质具有物理实现在其中的计算机可读指令，所述计算机可读指令当由处理器执行时使得所述处理器能够执行权利要求1-21之一的方法。
23.一种计算机程序，包括指令集合，当加载并由处理器执行时，该指令集合使得所述处理器能够执行权利要求1-21之一的方法。
24.一种用于确定位于区域内的漫游器的精确位置的设备，包括 a.接收机，可操作用以获得包括至少两个载波频率上的GNSS信号的码观测结果和载波-相位观测结果的漫游器观测结果；b.校正数据接收机，可操作用于接收校正数据，所述校正数据包括 至少一个按每个卫星的码偏差； 下列至少一个(i)按每个卫星的固定特性MW偏差，以及(ii)从中可导出按每个卫星的固定特性■偏差的值；以及 下列至少一个针对多个区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟，以及(iv)非电离层校正； c.至少一个处理器，可操作用于从所述校正数据创建漫游器校正，以及可操作用于使用所述漫游器观测结果和所述漫游器校正来确定精确的漫游器位置。
25.根据权利要求24的设备，其中，所述按每个卫星的码偏差包括由全球网络处理器估计的按每个卫星的码偏差。
26.根据权利要求24-25之一的设备，其中，所述按每个卫星的电离层延迟包括从多个区域网络站的观测结果估计的电离层延迟。
27.根据权利要求24-25之一的设备，其中，所述按每个卫星的电离层延迟是从所述区域上的电离层延迟模型估计的。
28.根据权利要求24的设备，其中，所述校正数据进一步包括按每个卫星的电离层相位偏差。
29.根据权利要求24-28之一的设备，其中，所述非电离层校正包括针对多个区域网络站中的每一个的对流层延迟。
30.根据权利要求24-29之一的设备，其中，所述非电离层校正包括按每个卫星的几何校正。
31.根据权利要求24-30之一的设备，其中，所述非电离层校正包括针对在所述接收机处的视野中的每个卫星的表示卫星位置误差和卫星时钟误差的几何校正。
32.根据权利要求31的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于用在所述漫游器处观测的相应卫星来识别每个几何校正。
33.根据权利要求31-32之一的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于使用(i)广播星历表和(ii)精确星历表中的至少一个来确定按每个卫星的几何范围，以及针对每个卫星应用对所述几何范围的所述几何校正以获得按每个卫星的经过校正的几何范围。
34.根据权利要求24-33之一的设备，其中，所述非电离层校正包括，针对在所述漫游器处的视野中的每个卫星的针对所述区域中的三个位置中的每一个的几何校正，并且其中，所述至少一个处理器可操作用于，针对在所述漫游器处的视野中的每个卫星，从所述三个位置的所述几何校正确定近似漫游器位置的几何校正。
35.根据权利要求24-33之一的设备，其中，所述校正数据包括在多个区域网络站处按每个卫星的电离层延迟，并且其中，所述至少一个处理器可操作用于插入关于所述大概位置的电离层延迟。
36.根据权利要求24-35之一的设备，其中，所述校正数据包括在多个区域网络站处按每个卫星的电离层延迟以及按每个卫星的电离层相位偏差，并且其中，所述至少一个处理器可操作用于针对每个卫星，为所述大概位置插入绝对电离层延迟并与所述电离层相位偏差进行合并。
37.根据权利要求24-36之一的设备，其中，所述数据集包括在多个区域网络站处按每个卫星的对流层延迟，并且其中，所述至少一个处理器可操作用于插入关于所述大概位置的对流层延迟。
38.根据权利要求24-37之一的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于将所述漫游器校正与所述漫游器观测结果进行合并，以获得经过校正的漫游器观测结果，以及从所述经过校正的漫游器观测结果确定所述精确的漫游器位置。
39.根据权利要求24-38之一的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于使用所述漫游器校正来为在所选位置处的视野中的多个卫星中的每一个估计模拟参考站可观测量，以及使用所述模拟参考站可观测量对所述漫游器观测结果进行差分处理，以获得所述精确的漫游器位置。
40.根据权利要求39的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于，使用所述漫游器校正来为在所选位置处可观测的多个卫星中的每一个估计至少一个模拟参考站载波-相位观测结果。
41.根据权利要求39-40之一的设备，其中，所述至少一个处理器可操作用于，使用所述漫游器校正来为在所述所选位置处可观测的多个卫星中的每一个估计至少一个模拟参考站码观测结果。
42.根据权利要求39-41之一的设备，其中，所述所选位置是(i)所述漫游器的所述大概位置和(ii)在所述漫游器的所述大概位置的100米之内的位置。
43.根据权利要求39-42之一的设备，其中，所述至少一个处理器远离所述漫游器。
44.根据权利要求39-42之一的设备，其中，所述至少一个处理器在所述漫游器处。
全文摘要
本发明提供了用于处理从多频码和载波观测结果得到的GNSS数据的方法和设备，其使得校正数据对于位于区域内的漫游器是可使用的，所述校正数据包括区域上的电离层延迟、区域上的对流层延迟、按每个卫星的相位分级几何校正以及至少一个按每个卫星的码偏差。在一些实施例中，校正数据包括按每个卫星的电离层相位偏差。提供了用于确定位于区域内的漫游器的精确位置的方法和设备，其中，GNSS接收机被运行以便获得多频码和载波观测结果和校正数据，以便从所述校正数据创建漫游器校正，以及使用漫游器观测结果和漫游器校正来确定精确的漫游器位置。所述校正数据包括至少一个按每个卫星的码偏差、按每个卫星的固定性质MW偏差和/或从中能导出按每个卫星的固定性质MW偏差的值、以及针对多个区域网络站中的每一个的按每个卫星的电离层延迟和/或非电离层校正。还提供了用于对包含校正数据的校正消息进行编码和解码的方法和设备，其中网络消息包括涉及网络的基本所有站的网络元素，并且集群消息包括涉及网络的子集的集群元素。
文档编号G01S19/40GK102844679SQ201180018809
公开日2012年12月26日 申请日期2011年2月14日 优先权日2010年2月14日
发明者陈小明, U·沃尔拉特, K·弗格森 申请人:天宝导航有限公司