专利名称：确定位置的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定GNSS接收器的位置的装置和方法，特别涉及在不能解码 GNSS导航消息的包含信号的发送时间的部分时确定接收器的位置。
背景技术：
全球定位系统(GPS)是接收器通过精确测量从多个卫星接收的信令事件 (signalling event)的到达时间来确定接收器的位置的导航系统。各个卫星发送导航消息，该消息包含其在什么时候被传送的精确时间以及星历信息(ephemeris information)。 这包括关于卫星轨道的详细资料以及与诸如GPS时间的国际标准时间或绝对时间比较用于卫星自身时钟的校正值(correction)。星历及时钟校正参数可以被总称为星历信息。GPS信号是由对直接序列扩频信号进行二进制相移调制后的导航消息构成。扩频信号包括识别卫星的唯一伪噪声(PN)码。对于使用LI频率传送的民用GPS信号，该码被称为C/A码。C/A码具有1023个码元(chip)的序列长度，其用I. 023MHz码元速率(chipping rate)扩展(spreading，扩频)。因此，码序列每隔毫秒而重复。当卫星中的两个码产生器转变至全为“I’s”状态时,码序列具有识别启动时刻(identified start instant)。该时刻被称为码历元(code印och)。在卫星中的各种传送延迟后，码出现时间被广播。此事件被称为信令事件并且能够在适当调整的接收器中通过将复制码与从各个卫星接收的码校准而被识别。导航消息具有50比特/秒的低数据速率，其启动与C/A码序列的启动同步。每比特的导航消息持续20毫秒，由此结合C/A码的20个副本(repetition)。导航消息用由5个 300比特子帧构成的1500比特帧(frame)构建。每个子帧持续6秒。卫星使用10. 23MHz 的整数倍的载波频率(对于LI载波，倍数为154)传送导航消息和C/A码。除了时间和星历信息夕卜，数据消息还包括卫星星群年历(satellite constellation almanac)、表示电离层及对流层延迟的参数、健康参数以及由某些接收器使用的其他信息。有25个来自各个卫星的不同帧。各个帧包含在子帧1-3中的识别信息 (时间除外)，但是通过在子帧4和5中的预分配序列的数据(包含年历和其他信息)循环。如上所述，GPS接收器可以通过将复制码与从各个卫星接收的码校准而确定信令事件的到达时间。接收器也可以使用包含在导航消息中的TOW信息来确定信令事件被传送时的时间。由此，接收器能够确定信令事件的经过时间(由此可以确定接收器和卫星之间的距离)，以及在信令事件被传送时卫星的位置(使用星历信息)。然后，接收器可以计算自己的位置。理论上讲，如果接收器具有精确时间或知道部分位置(例如海拔)，可以使用来自三个卫星的信号确定GPS接收器的位置。然而，在实践中，GPS接收器使用来自四个以上的卫星来确定准确的三维位置解，因为在接收器时钟与GPS时间之间的偏移将额外的未知量引入计算中。如果卫星信号接收很差(通常称为弱信号条件)，或者如果接收器仅接收短脉冲群信号，则接收器可能不能够解码TOW信息。没有该信息，GPS接收器不能以足够的精度确定其与卫星之间的距离，因为接收器将不知道信令事件被传送时的时间。在弱信号条件或者短暂闪现信号下，接收器可能也不能识别子帧的启动，因为接收器不能解码TLM。不过，即使在弱信号条件下或用短暂闪现信号，已不能解码导航消息中的TOW信息的接收器也可能能够推断出部分定时信息。例如，接收器可能能够确定在卫星信号的扩展(PN)码和本地产生的扩展码(例如通过将接收到的信号与PN码的本地产生的复制码相关联或者通过使用等效信号处理技术)之间的时移。此时移表示卫星信号的至少部分经过时间。然而，由于信号中的PN码与本地产生的复制码均为空间中的有限长度(称为码波长)，关联操作仅能识别总时移的一部分。该部分的总时移表示在减去码重复间隔的整数后，在卫星和用户之间的信号经过时间的小数部分。这导致不知道在卫星和接收器之间传播信号所花费的码重复间隔的整数。为了计算精确计算接收器的位置，接收器还需要能够分辨在系统中不同时钟之间的差异。GPS时间由主要位于华盛顿的美国海军天文台的时钟集合规定。每个卫星有其自身的操作时钟(通常三个中的一个载于空间飞行器)，它与GPS时间大致同步。然而，实际上，卫星时钟以较小量偏离GPS时间。接收器时钟也很可能偏离GPS时间，至少在初始位置解之前。未被校正，这些时钟偏移将明显误差弓I入位置计算。Peterson 等在“GPS Receiver Structures for the Urban Canyon，，中给出了一种在高深城市峡谷中计算GPS接收器的位置的方法，在城市峡谷中接收器可能短暂瞥见卫星，但是几乎不能同时看到三个以上的卫星。该方法通过扩展位置计算以包括额外卫星范围测量以及称为“粗略时间”的额外未知参数来解决具有未知共同系统时间的问题。由此， Peterson的论文中提出了对于三维位置解需要五颗卫星的信号的解。Lannelongue 等在“Fast Acquisition Techniques for GPS Receivers” 中也给出了一种计算GPS接收器的位置的方法，其中共同系统时间是未知的。整周毫秒模糊度(integermillisecond ambiguity)也由 US 6，417，801 解决，在该文献中描述了一种通过计算接收器至卫星的几何伪距(geometric pseudorange)来估计整数毫秒的方式。利用GPS接收器的估计位置以及在估计的GPS时间的卫星位置的几何伪距来计算几何伪距。US 6，417，801由估计的伪距来估计信号在卫星与GPS之间传播耗费的整数毫秒的数目，并将此加入测得的子毫秒伪距以获得“完整”伪距。然后，将五颗卫星的伪距用于计算GPS接受器的位置。在Frank Van Diggelen的“A-GPS Assisted GPS,GNSS and SBAS 72”(参见第4章)也描述了这种技术。数学方法可以用于改变由位置计算输出的未知量。例如，US 7，064，709解释了使用估计的伪距计算毫秒的整数数目并不总是足够精确，而另外提供了一种方法，其中，作为位置计算的一部分，共同发送延迟(表示为整数毫秒的数目)作为待确定的未知量之一被插入。US 7，064，709还提出使用卫星测量可以将差由五个等式用于创建四个等式和四个等式。US 6，191，731还描述了对五颗卫星进行五次距离测量，并且通过加权并从其余四个中减去一个来解五个所得等式，以消去一个未知项。这是一种纯数学方法，在此例子中， 从五个线性位置等式消去用户时钟误差项。这些技术类似于在一些土地测量实施中使用的差分法，其中GPS时间是未知的。 来自不同卫星的信号在一个接收器上是不同的，然后将该差异从另一接收器计算的类似差异中减去。这种双差技术允许诸如卫星时钟误差以及接收器时钟误差的未知量从计算中消去。这些技术通常只在位置解汇聚低误差的区域内有效。当GPS信号由卫星传送的时间是未知时，需要计算GPS接收器的位置的改良方法。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供一种装置，用于根据信令事件从多颗卫星传播至接收器所耗费的时间来计算接收器位置，所述装置被配置为对于各个卫星获得信令事件从卫星传播至接收器的经过时间的指标，经过时间的指标结合有整周模糊度；并且形成信令事件从卫星传播至接收器的预计经过时间的指标；所述装置还被配置为指定多颗卫星中的一颗作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的经过时间的指标和所述预计经过时间的指标与所述参照卫星的所获得的经过时间的指标和所述预计经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预计经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据所述残差，在不计算所获得的经过时间中的所述整周模糊度的情况下计算所述接收器的位置。所述装置可被配置为在使用所述接收器的信令事件的到达时间作为该信令事件的所获得的经过时间的指标。所述装置可被配置为使用在接收器处的信令事件的到达时间的小数部分作为所获得的信令事件的经过时间的指标。所述装置可被配置为通过测量由参照卫星发送的信令事件到达接收器与由非参照卫星发送的信令事件到达接收器之间的时间差，来比较所获得的所述参照卫星与各个非参照卫星的经过时间的指标。所述装置可被配置为对于各个卫星通过估计该卫星与GPS接收器之间的距离来形成所述预计经过时间的指标。所述装置可被配置为对于各个卫星通过以下方式来形成预计经过时间的指标估计接收器的位置；根据所估计的绝对时间和星历信息来估计卫星的位置；并且根据所估计的接收器和卫星的位置来计算预计经过时间的指标。所述装置可被配置为通过从各个所获得的信令事件的经过时间的指标除去与发送该信令事件的卫星相关联的时钟偏移来形成调整经过时间。所述装置可被配置为以距离或时间之一为单位来表示调整经过时间和预期经过时间的指标这两者，所述装置被配置为对于各个非参照卫星通过以下方式形成残差从非参照卫星的调整经过时间的表示中减去非参照卫星的预计经过时间的表示；从参照卫星的调整经过时间的表示中减去参照卫星的预计经过时间的表示；计算关于非参照卫星的减法结果与关于参照卫星的减法结果之间的差。所述装置可被配置为通过计算来形成各个残差其中，$是由非参照卫星发送的信令事件的到达时间减去与非参照卫星相关联的时钟偏移的小数部分；&是由参照卫星发送的信令事件的到达时间减去与参照卫星相关联的时钟偏移的小数部分；毛是接收器与非参照卫星之间的估计距离；
&是接收器与参照卫星之间的估计距离；并且c是光速。所述装置可被配置为对各个残差执行模运算，以识别该残差的小数部分，所述装置被配置为根据这些小数部分来计算接收器的位置。所述多个卫星中的每一个可被配置为在由重复间隔所分开的时刻(time instant)发送信令事件，所述装置可被配置为通过识别各个残差的亚部分、并且如果该结果大于te/2则从该亚毫秒部分减去tc，而在范围土te/2内重构建残差。所述装置可被配置为通过识别各个残差的亚毫秒部分、并且如果该结果大于半毫秒则从该亚毫秒部分减去一毫秒，而在-O. 5ms至O. 5ms的范围内重构建残差。所述装置被配置为以距离为单位表示所重构建的残差，并且根据这些距离来计算接收器的位置。所述装置可被配置为通过预测由该非参照卫星发送的信令事件在接收器的到达时间，来形成该非参照卫星的预计经过时间的指标。所述装置可被配置为根据由参照卫星发送的信令事件在接收器的到达时间，来形成预测。信令事件由多个卫星以规则间隔发送，所述装置可被配置为通过以下方式获得非参照卫星的经过时间的指标识别由该卫星发送的信令事件在接收器的一个或多个到达时间；通过从各个信令事件除去与该卫星相关联的时钟偏移来形成所识别的信令事件的调整到达时间；并且选择与该卫星的预测到达时间最接近的调整到达时间作为所获得的经过时间的指标。所述装置可被配置为根据与参照卫星相关联的时钟，在第一时间获得由参照卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间，作为参照卫星的经过时间的指标；并且根据与非参照卫星相关联的时钟，在所述第一时间将非参照卫星的预计经过时间的指标形成为由非参照卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间的预测。信令事件可以由多个卫星以规则间隔发送，并且该装置可以被配置为根据与参照卫星相关联的时钟，在第一时间获得由参照卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间，作为参照卫星的经过时间的指标；并且根据与非参照卫星相关联的时钟，在与第一时间不同的第二时间选择由非参照卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间，作为所获得的非参照卫星的经过时间的指标。该装置可以被配置为选择由非参照卫星发送的信令事件的到达时间以处于由参照卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间的预定时间间隔内。预定时间间隔可以小于等于多个卫星中的一个的信令事件的规则发送之间的时间间隔的一半。该装置可以被配置为通过在被选择为所获得的经过时间的指标的信令事件的调整到达时间与该信令事件的预测到达时间之间执行减法而形成非参照卫星的残差。该装置可以被配置为通过以下方式来形成非参照卫星的残差通过从各个到达时间除去与发送信令事件的卫星相关联的时钟偏移来形成信令事件的调整到达时间；确定由参照卫星与非参照卫星发送的信令事件的调整到达时间之间的差；确定由参照卫星与非参照卫星发送的信令事件的预测到达时间之间的差；并且在所确定的差之间执行减法。
该装置被配置为通过将由参照卫星发送的信令事件的到达时间与以下求和来预测由非参照卫星发送的信令事件的到达时间与非参照卫星相关联地时钟偏移和与参照卫星相关联地时钟偏移之间的差；以及信令事件传播接收器和非参照卫星间的估计距离与接收器和参照卫星间的估计距离之间的差将花费的时间。该装置可以被配置为通过将所获得的参照卫星的经过时间与第一时间与第二时间之间的差求和来形成预期经过时间的指标。该装置可以被配置为通过迭代处理来确定接收器的位置，装置被配置为对于第一迭代，估计在同一预定时刻的根据多个卫星的位置的接收器与多个卫星中的一个之间的各个距离；对于随后的迭代，估计在不同预定时刻的根据多个卫星的位置的接收器与多个卫星中的一个之间的各个距离。该装置可以被配置为在随后的迭代的过程中，估计在第一时间和第二时间的各个距离。该装置可以被配置为通过迭代过程来确定接收器的位置，装置被配置为通过根据与所获得的用于计算残差的经过时间的指标相关联的可靠性而向各个残差施加相对权重， 来确定接收器的位置。该装置可以被配置为根据与接收器相关联的时钟偏移来计算DOP参数。该装置可以被配置为确定根据残差计算的接收器的位置是不正确的；识别最大的残差，并且以与由多个卫星中的一个的信令事件的规则发送之间的时间间隔相对应的量来调整残差；并且根据所调整的残差来重新计算接收器的位置。该装置可以被配置为对于多个卫星确定平均视向速度，并且选择具有最接近于平均视向速度的视向速度的卫星，作为参照卫星。该装置被配置为确定与从接收器到多个卫星中的各个的方向向量的平均值相对应的方向向量，并且选择从接收器到卫星的方向向量最接近于平均方向向量的该卫星，作为参照卫星。该装置被配置为根据接收器的位置的估计中的误差和从卫星发送信号的时间的估计中的误差的相对大小，来选择多个卫星中具有以下之一的卫星作为参照卫星最接近于平均视向速度的视向速度；或者最接近于平均方向向量的朝向接收器的方向向量。该装置可以被配置为选择多个卫星中具有与平均视向速度和平均方向向量相关的视向速度和方向向量的最优组合的卫星，作为参照卫星。该装置可以被配置为对于多个卫星中的各个计算度量#，其通过以下等式给出
λ2占 ο do'= [1 姑 la. (fi - nj] + [Wmax \b. (fi — Qj)] + \&tMAX I其中，fi是接收器与多个卫星之间的单位向量的平均数；Iij是接收器与第j个卫星之间的单位向量；Rmax是在GPS接收器的位置的初始估计中的最大误差；Δ tmx是从多个卫星的一个的信号的发送时间的初始估计中的最大误差；￥是多个卫星的平均视向速度；
$是第j个卫星的视向速度；2和h是在GPS接收器的切向平面中的正交单位向量；装置被配置为选择当用作第j个卫星时生成最小度量的卫星，作为参照卫星。该装置可以被配置为对于多个卫星中的各个计算度量，其通过以下等式给出 2=[味題|α.(η;- n0)f + [IRmax\b, (n； - H0)]2 十[_腿I其中，Iij是接收器与第j个卫星之间的单位向量；n0是接收器与被测试为参照的卫星之间的单位向量；$是被测试为参照的卫星的视向速度；$是第j个卫星的视向速度；Rmax是GPS接收器的位置的初始估计中的最大误差；Δ tmx是从多个卫星的一个的信号的发送时间的初始估计中的最大误差；2和h是在GPS接收器的切向平面中的正交单位向量；装置被配置为选择在所有j个卫星中当被测试为参照卫星时生成最小的最大度量的卫星，作为参照卫星。该装置被配置为通过以下方式来选择参照卫星轮流选择多个卫星中的各个作为参照卫星的候选；对于各个候选卫星，形成表示候选卫星和其他各个卫星的预期经过时间的指标中的组合误差的残差；对于各个候选卫星，识别残差中的最大值；并且选择与最大残差的最小值相对应的候选卫星，作为参照卫星。该装置可以被配置为选择对于接收器可见的卫星的子集，作为计算出接收器的位置所根据的多个卫星。该装置可以被配置为指定卫星的子集中的一个卫星作为参照卫星。该装置可以被配置为在第一迭代的过程中，根据包括第一数量的卫星的卫星的子集来计算接收器的位置，并且在随后的迭代的过程中，根据包括第二数量的卫星的卫星的子集来计算接收器的位置，第二数量大于第一数量。该装置可以被配置为通过以下方式来选择卫星的子集形成对于接收器可见的卫星的候选集合；连续识别候选集合中的哪个卫星与最小收敛域相关联，并且从候选集合中除去该卫星，直到候选集合由预定数量的卫星组成为止；并且选择包括候选集合中的预定数量的卫星的卫星的子集。该装置可以被配置为选择这样的卫星的子集，其由可见卫星的集合中相对于接收器具有最高仰角水平的预定数量的卫星组成。该装置可以被配置为选择这样的卫星的子集，其由可见卫星的集合中相对于接收器具有最低视向速度的预定数量的卫星组成。该装置可以被配置为通过对于所获得的经过时间测试不同的整周模糊度来计算接收器的位置。根据本发明的第二实施方式，提供了一种装置，其被配置为通过以下方式来确定接收器的位置在由第一卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间的小数部分、由第二卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间的小数部分与接收器和第一卫星以及第二卫星之间的估计距离之间执行比较，并且根据比较结果的小数部分计算接收器的位置。根据本发明的第三实施方式，提供了一种方法，用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算接收器的位置，方法包括对于各个卫星获得信令事件从卫星传播到接收器的经过时间的指标，经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从卫星传播到接收器的预期经过时间的指标；该方法还包括指定多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标与参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据残差，在不计算所获得的经过时间中的整周模糊度的前提下计算接收器的位置。根据本发明的第四实施方式，提供了一种计算机可读介质，其编码有这样的指令， 当其由用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算接收器的位置的装置来执行时，使得装置对于各个卫星获得信令事件从卫星传播到接收器的经过时间的指标，经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从卫星传播到接收器的预期经过时间的指标；并且还使得装置指定多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标与参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据残差，在不计算所获得的经过时间中的整周模糊度的前提下计算接收器的位置。
为了更好的理解本发明，以示例方式对以下附图进行参考，其中图IA示出了 GPS卫星的信令事件的发送；图IB示出了从两个卫星接收信号的GNSS接收器；图2示出了两个GNSS信号相对于绝对时间的定时，其中信令事件从卫星星群的每个兀基本上以同一时间发送；图3示出了用于计算GNSS接收器的位置的方法的步骤；图4不出了两个GNSS信号相对于绝对时间以不同时间发送的定时；图5示出了用于计算GNSS接收器的位置的迭代方法的步骤；图6示出了用于计算GNSS接收器的位置的方法的步骤，其包括有关可以丢弃计算得到的位置的标准；图7示出了可以用于选择参照卫星的方法的步骤；图8示出了卫星星群的视向速度；图9示出了用于根据绝对平方残差选择参照卫星的方法的步骤；图10示出了用于根据卫星的平均位置向量选择参照卫星的方法的步骤；图11示出了用于根据基于平均位置向量和平均速度向量的度量选择参照卫星的方法的步骤；图12示出了用于根据度量选择参照卫星的方法的步骤；图13示出了用于根据是时间还是位置误差占主导对参照卫星选择方法进行选择的方法的步骤；图14示出了在六卫星星群中的收敛域；图15示出了根据仰角选择卫星子集的步骤；图16示出了多个收敛域的等高线；以及图17示出了用于计算GPS或GNSS接收器的位置的装置的实例。
具体实施例方式装置可以被配置为根据多个卫星发送的信令事件在接收器处的到达时间来计算接收器的位置。到达时间表示每个信令事件传播到接收器所花费的经过时间。然而，信令事件被发送的时刻是未知的，因此关于每个信令事件的经过时间，到达时间含有模糊性。装置可被配置为通过将卫星之一设计为参照卫星来解决这种模糊性。然后，从其他卫星接收到的信令事件的到达时间以来自参照卫星的一个或多个信令事件的到达时间为基准。具体地，当与那些信令事件的预期到达时间进行比较时，装置可以形成用于表示来自参照卫星的信令事件的到达时间和其他卫星之一的信令事件的到达时间的组合误差的残差。本发明的一个或多个实施方式可以以卫星导航或GNSS系统(如，GPS、GL0NASS、伽利略等)来实施。因此，尽管以下将关于GPS系统来具体描述本发明的一个或多个实施方式，但是这仅仅是示例性的，而不应当理解为本发明的范围局限于GPS系统。事件的示例是I毫秒经过时间或码历元或数据符号或位跳变等的发生。每颗卫星上的事件导致信令事件的几乎立即发送。本领域中的普通技术人员熟知许多这样的信令事件。事件的规律重复在导航卫星系统中是正常的。因此，信令事件可以是重复的，例如，GPS 系统中的C/A码的开始以I毫秒间隔重复。重复的信令事件可被认为是穿过与邻近事件隔开与载波信号的波长相近的波长距尚的空间。该波长表不为λ。，并且可以在事件被隔开码重复间隔的情况下，以码波长作为基准。重复信令事件的示例在图IA中示出。该图示出了 GPS卫星中码重复周期。每颗卫星时钟是自由运转的，但是是朝向普通绝对时间基准(GPS时间)连续行进的。因此，分别针对每颗卫星确定事件发生的实际时间。在图IA中，码重复周期由内部GPS时钟101来确定。内部GPS时钟中的每Ims经过时间102触发事件，从而促使卫星产生C/A码103。所产生的码具有数个码重复周期104，其中每个码重复周期开始于与内部GPS时钟中的Ims 经过时间一致的内部码历元105。所产生的码在被发送(107)之前在卫星内经历小的延迟 106。码产生与码发送之间的小的内部延迟导致内部码历元105与外部码历元108之间的小的偏离。外部码历元以Ims间隔隔开，因此可被认为是表示卫星GPS时钟的外部可见版本。然后，由于信号109的经过时间，使得码经受另一延迟。然后，GPS接收器可以使内部码复制品111与所接收到的码110对准，以产生内部码历元112，其中由那些码历元所表示的信令事件的到达时间根据这些内部码历元来确定。通常，每颗卫星将在其信号中包括信息，以使得接收器能够计算出卫星发送特定信令事件的绝对时间。实践中，卫星将根据其自身的时钟来发送信令事件，其中卫星自身的时钟通常偏离于绝对时间。然而，由于接收器根据星历表或一些其他源知悉该偏离是多少， 所以在与使各个信令事件从卫星传播到其位置处所花费的时间比较时，其可允许该偏离。 然而，当接收器处于差的信号条件下时，其不能够解码发送时间信息。尽管该问题可通过估计发送时间来克服，但是其仍留下信令事件在接收器处的到达时间模糊的问题，而该问题
需要解决。接收器可以通过识别接收信号中的信令事件来测量卫星信号的到达时间。接收器的一个选择是执行所接收到的信号与PN扩频码的本地生成版本间的相关性操作或等价处理步骤。作为该处理的结果，接收器使内部产生的复制码与从卫星接收到的扩频码对准。如此进行，接收器能够根据其自身的内部时钟识别何时其接收到特定事件(例如，特定码序列的开始)。如果接收器估测出卫星发送信号时的时刻，其可从到达时间减去该发送信号时的时刻来获得估计的经过时间。不幸地是，码波长通常短于使用者与卫星之间的距离，所以接收器可识别的“事件”不是唯一的，而是以每个码重复间隔重复的。换言之，尽管接收器可识别出到达时间为tl的信号中的事件，但是类似的事件会在时间为tl-tc的信号中出现，并且另一类似的事件将会出现在ti+tc，其中tc是码重复间隔。对于接收器，这些事件可彼此区分开来，特别是在低信号电平时。在不能够对更多的信号进行解码的情况下，接收器不能直接获知哪个到达时间将与估测出的发送时间进行比较。因此，尽管接收器知道到达时间的-tc部分，但是并不清楚哪个是正确的整数部分。这遗留下在信号经过时间中码重复间隔tc的数目是未知的问题。民用的GPS信号的C/A码以I毫秒间隔重复。在弱或短暂微弱信号的情况下，接收器仅能够完成于I毫秒C/A码的同步。因此，经过时间的不可识别整数部分将是整数个毫秒，而可识别的小数部分将是亚I毫秒。对于GPS，经过时间的整数毫秒部分通常在卫星的67毫秒至86毫秒间变化，这超过使用者的视野范围，从而导致大量的模糊事件识别。在另一示例中，GPS接收器可以达到对GPS信号更大程度的同步，在这种情况下，经过时间的小数部分将大于I毫秒。例如，如果GPS接收器设法获得与GPS信号同步的数据位或数据符号，则经过时间的余下小数部分将小于为20毫秒的数据符号或位间隔。因此，当接收器处于弱或短暂微弱信号的条件下时，接收器仅仅能够测出经过时间的小数部分(由到达时间的模糊部分所表示的)。本文中所使用的术语“小数”指的是卫星信令事件的经过时间的细分的任一部分。 术语“小数”意指涵盖卫星导航信号现在或将来可以限定的任何模值。经过时间的小数部分通常小于码重复间隔。整个经过时间通常包括小数部分和整数部分，但在弱信号条件下， 整数部分会是模糊的且不可识别的。因此，词语“整数”指的是经过时间的任何不可见或模糊部分，并且意指涵盖卫星信号现在或将来可以限定的任何商值。整数部分可以表示经过时间中所包含整数个码重复间隔。术语“到达时间”用于指代接收器接收到信令事件时的时刻。到达时间给出了信令事件的经过时间的指标。可在接收器内相对于时间基测量信令事件的到达时间。接收器时钟的已知时间尺度可用于形成来自不同卫星的信令事件的到达时间之间的时间差的估计。接收器时间基相对于绝对时间(如，GPS时间)的校准是未确定的接收器参数。校准可以通过进行计算来完成，从而求出接收器的坐标。本文中所描述的本发明避免了对通过使用已知的接收器时钟的时间尺度进行任何的这种校准从而形成对来自不同卫星的信令事件的到达间的时间差的估计的需要。因此，接收器时钟与绝对时间间的偏离或偏移会损害测量。通过详细地设计接收器系统，时间尺度是已知的。通常，时间尺度与绝对时间相比会呈现出小的(时间)偏移率，这是由于在接收器制造期间组件的规定公差造成的。本发明的优选实施方式通过选择在彼此短时间内到达的信令事件而使该部分可忽略，降低了对偏移率的依赖性。在没有GPS时间的情况下，用于计算GPS接收器的位置的一些现有方法通过计算经过时间的整数部分而解决了所测出的到达时间的模糊性。该计算通常使用对接收器位置的初始估计以及发送信号时的初始估计，来估计接收器与卫星之间的距离。由于卫星信号以已知的光速传播，所以估计的距离可用于估计整个经过时间，包括码重复间隔tc的整数部分。本发明的一个或多个实施方式通过能够在不计算该整数的值的情况下解决整数模糊的问题，而与这些现有的技术区别开来。装置通常可使用来自5颗以上卫星的信号来获得关于接收器的3D位置固定。如果对算法设置附加约束(例如，通过固定接收器的高度)，则位置算法可以需要小于5颗卫星。卫星之一可被设计为参照卫星。然后，可将其他四颗卫星的估计距离和经过时间与参照卫星的等价值进行比较。这具有两方面的优点首先，其解决了测出的到达时间中整数模糊的问题，其次，其消除了测量时刻时未知的接收器时钟偏移，这是因为每个信令事件的到达与来自参照卫星的信令事件的到达的参考值进行比较。以此方式，接收器时钟偏移不会损害测量并且不会进入位置计算。然而，接收器时钟用于提供用于测量各个信令事件的到达时间之间的时间差的时间尺度。本文中所描述的用于测量接收器的坐标的装置可被配置为使用绝对时间的初始估计和接收器位置计算接收器的坐标。计算还可以使用星历表信息，使得估计的绝对时间时的卫星的估计位置可被确定。接收器位置的估计可基于例如之前算出的接收器的位置或基于对从另一源(例如，蜂窝网络或手动输入或从使用者设备上的数据输入端口)接收到的位置的估计。绝对时间的估计类似地可基于之前算出的值(该值随着逝去的时间而不断地更新)，或从来自卫星(例如，蜂窝网络)、来自接收器时钟、通过手动输入或来自数据端口的不同源接收到的绝对时间版本。星历表信息可以是从之前的坐标计算已存储的，可以是从卫星(例如，蜂窝网络)之外的源获得的，或根据需要可从每颗卫星直接获得，或存在于连续的数据流或广播星历表信息的分离片段中。对于借助于接收到的信令事件准确确定坐标的解，卫星与接收器之间的距离的初始估计应精确在码波长一半λ。/2的范围内。对于GPS C/A码信号，其给出了 O. 5ms乘以光速的所需精确度，约为150km。如果估计的距离的误差大于λ J2，则会存在误差导致“整数滚转(rollover)”的风险，即导致所估计的经过时间的整数部分的值不正确。整数滚转也可由接收器时钟偏移引起。具体地，如果在接收器时钟偏移添加至估计的经过时间时，结果接近于整数tC边界，则接收器时钟偏移会引起整数滚转。本发明的一个或多个实施方式通过测量与根据来自卫星的进入信号的移动时间基有关的到达时间，可以消除对接收器时钟的该依赖性。这可通过对每一到达时间或其部分与从参照卫星接收到的信令时间的到达时间进行比较来实现。用于计算接收器的位置的装置可以包括接收器，或可以位于与接收器(从接收器可获得经过时间的测量部分)相同的设备片中。在优选实施方式中，装置可以是手持设备。 装置还可以与接收器分离。例如，装置可以是服务器。在该场景下，接收器适于通过通信链路向装置发送到达时间。装置可类似地将坐标计算结果返回至接收器。通信链路可以采用本领域中通常熟知的若干形式中的一种，诸如无线通信、包通信、寻呼系统、因特网或通信链路的其他有线形式。每颗卫星可以发送扩频码序列，其是专属于CDMA系统中的发射卫星的位置伪噪声码。借助于接收器内的同一码复制品的对准，码序列的特征可被识别和提取。一个这样的特征是被定义为码序列的开始位置的码历元。对于GPS C/A码，该状态通常在两个发生器触发器(在IS GPS 200E或前一版本中定义的Gl和G2)转变成触发器包括“所有”条件下的状态时发生。因此，码序列的连续发送可表示为信令时间的重复系列，每个均等价于码历元的发送。信令事件的接收时间可根据接收器中的等价复制码发生器来确定，在其也达到相同的至“所有”状态的转变的时刻，与从卫星接收到的信号对准。本文中所描述的各个实施方式涉及以距离和时间单位表示的值。这些值通常涉及 GPS信号的传输，GPS信号具有已知的速度(光速)，因此通常可容易地从以距离表示的值转换成以时间表示的值，反之亦然。以下给出的式子通常以时间表示，这是因为卫星信号接收器对信令事件的到达的测量是基于时间进行的。然而，等价的距离量可通过乘以光速来推导出。因此，以下的式子容易在以距离表示的和以时间表示的之间进行转换，并且不意指局限于以下所表达的特定形式的范围内。单差方法的介绍图IB示出了 GPS接收器113从两个GPS卫星114和116接收GPS信号118和119。 每颗卫星沿着各自的轨道(115和117)行进。GPS接收器可以指定卫星之一作为参照卫星。 该卫星设定测量所有其他信号所相对的时间基。首先，假设从单个卫星114接收到信号的情况。信号119在GPS接收器113处的到达时间可表示为
权利要求
1.一种装置，用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算所述接收器的位置，所述装置被配置为对于各个卫星获得信令事件从所述卫星传播到所述接收器的经过时间的指标，所述经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从所述卫星传播到所述接收器的预期经过时间的指标；所述装置还被配置为指定所述多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标与所述参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据所述残差，在不计算所获得的所述经过时间中的所述整周模糊度的前提下计算所述接收器的位置。
2.根据权利要求I所述的装置，其中，所述装置被配置为使用所述接收器处的信令事件的到达时间作为所获得的该信令事件的经过时间的指标。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中，所述装置被配置为使用所述接收器处的信令事件的到达时间的小数部分作为所获得的所述信令事件的经过时间的指标。
4.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过测量由所述参照卫星发送的信令事件到达所述接收器与由所述非参照卫星发送的信令事件到达所述接收器之间的时间差，来比较所获得的所述参照卫星与各个非参照卫星的所述经过时间的指标。
5.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为对于各个卫星通过估计该卫星与GPS接收器之间的距离来形成所述预期经过时间的指标。
6.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为对于各个卫星通过以下方式来形成所述预期经过时间的指标估计所述接收器的位置；根据所估计的绝对时间和星历信息来估计所述卫星的位置；并且根据所估计的所述接收器和所述卫星的位置来计算所述预期经过时间的指标。
7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过从各个所获得的信令事件的经过时间的指标除去与发送该信令事件的卫星相关联的时钟偏移来形成调整经过时间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述装置被配置为以距离或时间之一为单位来表示所述调整经过时间和所述预期经过时间的指标这两者，所述装置被配置为对于各个非参照卫星通过以下方式形成所述残差从所述非参照卫星的调整经过时间的表示中减去所述非参照卫星的预期经过时间的表不;从所述参照卫星的调整经过时间的表示中减去所述参照卫星的预期经过时间的表示；计算对于所述非参照卫星的减法的结果与对于所述参照卫星的减法的结果之间的差。
9.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过计算
10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述装置被配置为对各个残差执行模运算，以识别该残差的小数部分，所述装置被配置为根据这些小数部分来计算所述接收器的位置。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述多个卫星中的每一个被配置为在由重复间隔t。所分开的时刻发送信令事件，所述装置被配置为通过识别各个残差的亚-tc部分、并且如果结果大于te/2则从该亚毫秒部分减去tc，而在范围土te/2内重构建所述残差。
12.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过识别各个残差的亚毫秒部分、并且如果结果大于半毫秒则从该亚毫秒部分减去一毫秒，而在-O. 5ms至 O. 5ms的范围内重构建所述残差。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述装置被配置为以距离为单位表示所重构建的残差，并且根据这些距离来计算所述接收器的位置。
14.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过预测由非参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间，来形成该非参照卫星的预期经过时间的指标。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述装置被配置为根据由所述参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间，来形成预测。
16.根据权利要求14或15所述的装置，其中，所述信令事件由所述多个卫星以规则间隔而发送，所述装置被配置为通过以下方式获得非参照卫星的经过时间的指标识别由该卫星发送的信令事件在所述接收器处的一个或多个到达时间；通过从各个信令事件除去与该卫星相关联的时钟偏移来形成所识别的信令事件的调整到达时间；并且选择与该卫星的预测到达时间最接近的调整到达时间作为所获得的经过时间的指标。
17.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为根据与所述参照卫星相关联的时钟，在第一时间获得由所述参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间，作为所述参照卫星的经过时间的指标；并且根据与所述非参照卫星相关联的时钟，在所述第一时间将所述非参照卫星的预期经过时间的指标形成为由所述非参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间的预测。
18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，所述信令事件由所述多个卫星以规则间隔而发送，所述装置被配置为根据与所述参照卫星相关联的时钟，在第一时间获得由所述参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间，作为所述参照卫星的经过时间的指标；并且根据与所述非参照卫星相关联的时钟，在与所述第一时间不同的第二时间选择由所述非参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间，作为所获得的所述非参照卫星的经过时间的指标。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述装置被配置为选择由所述非参照卫星发送的信令事件的到达时间以处于由所述参照卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间的预定时间间隔内。
20.根据权利要求18或19所述的装置，其中，所述预定时间间隔小于等于所述多个卫星中的一个的信令事件的规则发送之间的时间间隔的一半。
21.根据权利要求16至20中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为通过在被选择为所获得的经过时间的指标的信令事件的调整到达时间与该信令事件的预测到达时间之间执行减法而形成非参照卫星的残差。
22.根据权利要求17至19中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为通过以下方式来形成所述非参照卫星的残差通过从各个到达时间除去与发送信令事件的卫星相关联的时钟偏移来形成所述信令事件的调整到达时间；确定由所述参照卫星与所述非参照卫星发送的信令事件的调整到达时间之间的差； 确定由所述参照卫星与所述非参照卫星发送的信令事件的预测到达时间之间的差；并且在所确定的差之间执行减法。
23.根据权利要求12至20中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为通过将由所述参照卫星发送的信令事件的到达时间与以下求和来预测由所述非参照卫星发送的信令事件的到达时间与所述非参照卫星相关联地时钟偏移和与所述参照卫星相关联地时钟偏移之间的差；以及信令事件传播所述接收器和所述非参照卫星间的估计距离与所述接收器和所述参照卫星间的估计距离之间的差将花费的时间。
24.根据引用权利要求18的权利要求23所述的装置，其中，所述装置被配置为通过将所获得的所述参照卫星的经过时间与所述第一时间与所述第二时间之间的差求和来形成所述预期经过时间的指标。
25.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过迭代处理来确定所述接收器的位置，所述装置被配置为对于第一迭代，估计在同一预定时刻的根据所述多个卫星的位置的所述接收器与所述多个卫星中的一个之间的各个距离；对于随后的迭代，估计在不同预定时刻的根据所述多个卫星的位置的所述接收器与所述多个卫星中的一个之间的各个距离。
26.根据引用权利要求18的权利要求25所述的装置，其中，所述装置被配置为在所述随后的迭代的过程中，估计在所述第一时间和所述第二时间的各个距离。
27.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过迭代过程来确定所述接收器的位置，所述装置被配置为通过根据与所获得的用于计算所述残差的经过时间的指标相关联的可靠性而向各个残差施加相对权重，来确定所述接收器的位置。
28.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为根据与所述接收器相关联的时钟偏移来计算DOP参数。
29.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为确定根据所述残差计算的所述接收器的位置是不正确的；识别最大的残差，并且以与由所述多个卫星中的一个的信令事件的规则发送之间的时间间隔相对应的量来调整所述残差；并且根据所调整的残差来重新计算所述接收器的位置。
30.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为对于所述多个卫星确定平均视向速度，并且选择具有最接近于所述平均视向速度的视向速度的卫星，作为所述参照卫星。
31.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为确定与从所述接收器到所述多个卫星中的各个的方向向量的平均值相对应的方向向量，并且选择从所述接收器到卫星的方向向量最接近于平均方向向量的该卫星，作为所述参照卫星。
32.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为根据所述接收器的位置的估计中的误差和从卫星发送信号的时间的估计中的误差的相对大小，来选择所述多个卫星中具有以下之一的卫星作为所述参照卫星最接近于所述平均视向速度的视向速度；或者最接近于所述平均方向向量的朝向所述接收器的方向向量。
33.根据权利要求31或32所述的装置，其中，所述装置被配置为选择所述多个卫星中具有与所述平均视向速度和所述平均方向向量相关的视向速度和方向向量的最优组合的卫星，作为所述参照卫星。
34.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为对于所述多个卫星中的各个计算度量其通过以下等式给出
35.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为对于所述多个卫星中的各个计算度量其通过以下等式给出
36.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过以下方式来选择参照卫星轮流选择所述多个卫星中的各个作为所述参照卫星的候选；对于各个候选卫星，形成表示所述候选卫星和其他各个卫星的预期经过时间的指标中的组合误差的残差；对于各个候选卫星，识别所述残差中的最大值；并且选择与最大残差的最小值相对应的候选卫星，作为所述参照卫星。
37.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为选择对于所述接收器可见的卫星的子集，作为计算出所述接收器的位置所根据的所述多个卫星。
38.根据权利要求35所述的装置，其中，所述装置被配置为指定所述卫星的子集中的一个卫星作为所述参照卫星。
39.根据权利要求34或35所述的装置，其中，所述装置被配置为在第一迭代的过程中， 根据包括第一数量的卫星的卫星的子集来计算所述接收器的位置，并且在随后的迭代的过程中，根据包括第二数量的卫星的卫星的子集来计算所述接收器的位置，所述第二数量大于所述第一数量。
40.根据权利要求35至37中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为通过以下方式来选择所述卫星的子集形成对于所述接收器可见的卫星的候选集合；连续识别所述候选集合中的哪个卫星与最小收敛域相关联，并且从所述候选集合中除去该卫星，直到所述候选集合由预定数量的卫星组成为止；并且选择包括所述候选集合中的预定数量的卫星的卫星的子集。
41.根据权利要求35至39中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为选择这样的卫星的子集，其由可见卫星的集合中相对于所述接收器具有最高仰角水平的预定数量的卫星组成。
42.根据权利要求35至39中的任一项所述的装置，其中，所述装置被配置为选择这样的卫星的子集，其由可见卫星的集合中相对于所述接收器具有最低视向速度的预定数量的卫星组成。
43.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述装置被配置为通过对于所获得的经过时间测试不同的整周模糊度来计算所述接收器的位置。
44.一种装置，被配置为通过以下方式来确定接收器的位置在由第一卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间的小数部分、由第二卫星发送的信令事件在所述接收器处的到达时间的小数部分与所述接收器和所述第一卫星以及所述第二卫星之间的估计距离之间执行比较，并且根据比较结果的小数部分计算所述接收器的位置。
45.一种方法，用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算所述接收器的位置，所述方法包括对于各个卫星获得信令事件从所述卫星传播到所述接收器的经过时间的指标，所述经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从所述卫星传播到所述接收器的预期经过时间的指标；所述方法还包括指定所述多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标与所述参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据所述残差，在不计算所获得的所述经过时间中的所述整周模糊度的前提下计算所述接收器的位置。
46.一种计算机可读介质，其编码有这样的指令，当其由用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算所述接收器的位置的装置来执行时，使得所述装置对于各个卫星获得信令事件从所述卫星传播到所述接收器的经过时间的指标，所述经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从所述卫星传播到所述接收器的预期经过时间的指标；并且还使得所述装置指定所述多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标与所述参照卫星的所获得的所述经过时间的指标和所述预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据所述残差，在不计算所获得的所述经过时间中的所述整周模糊度的前提下计算所述接收器的位置。
47.本文中参照附图所实质描述的装置。
48.本文中参照附图所实质描述的方法。
49.本文中参照附图所实质描述的计算机程序。
全文摘要
本发明提供了确定位置的装置和方法，其中，该装置用于根据信令事件从多个卫星传播到接收器所花费的时间来计算接收器的位置，其被配置为对于各个卫星获得信令事件从卫星传播到接收器的经过时间的指标，经过时间的指标包含有整周模糊度；并且形成信令事件从卫星传播到接收器的预期经过时间的指标；该装置还被配置为指定多个卫星中的一个作为参照卫星；将各个非参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标与参照卫星的所获得的经过时间的指标和预期经过时间的指标相比较，以形成表示在这些预期经过时间的指标中的组合误差的残差；并且根据残差，在不计算所获得的经过时间中的整周模糊度的前提下计算接收器的位置。
文档编号G01S19/42GK102608634SQ20121000227
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者安东尼·理查德·普拉特, 默里·罗伯特·加尔维斯 申请人:剑桥硅无线电有限公司