使用速度积分的改进GNSS接收器的制作方法

本发明涉及gnss接收器。更具体地，本发明的gnss接收器提供改进的导航精度和平滑度，特别是在城市峡谷中，而不需要使用复杂的多径减轻技术和/或外部辅助数据。

背景技术：

导航接收器的使用在日常生活中变得越来越普遍。更常见的是，汽车的车载电子设备、智能电话、平板电脑包括导航接收器，并且在其上运行的应用捕获关于终端用户的位置和轨迹的信息作为输入。

导航接收器依赖于由中地球轨道卫星发射的l波段rf信号，其通常包括在星座中，星座中包括数十个中地球轨道卫星以覆盖地球的大部分表面，例如gps^tm(us)、galileo^tm(欧洲)、glonass^tm(俄罗斯)和beidou^tm(中国)。这些星座在gnss(全球导航卫星系统)的通用首字母缩略词下被指定。

通过伪随机码和导航消息来调制gnss载波信号，该伪随机码和导航消息允许计算接收器和特定卫星之间的伪距(pseudo-range)。借助最少四个伪距，能够计算接收器的位置、速度和时间(pvt)。在消费者使用的类型的接收器中，位置信息是直接用于计算导航解决方案的位置信息。

pvt测量受到许多误差的影响，其中一些误差是所使用的测量原理所固有的(即，由于rf信号通过大气的轨迹的偏差-电离层和对流层-由于卫星的轨道的变化)，接收器和卫星缺陷所固有的(例如时钟偏差)，或者在某个时刻视野中的卫星的一些配置所固有的(即卫星在地平线上的高度；可见卫星的低散布-高精度稀释或dop)。通过使用仅对某些类型的接收器可用的特定处理技术，可以使用许多校正来减轻这些误差。例如，双频接收器可以以从几十米到几米的精度的增益减轻电离层误差，并且当与精确的卫星轨道和时钟相结合时甚至更佳，卫星轨道和时钟则提供精确的点定位(ppp)-精确度为几十厘米。差分gps和实时运动学解决方案通过外部信息的整合(相对于具有已知位置的多个固定参考站的相对定位)来提供类似的精度。

以一致和高效的方式减轻取决于接收器位置的一些误差更加困难，特别是当该位置被反射导航rf信号和/或掩蔽在某个时刻应该处于视线(los)内的多个卫星的多个物体包围时。在这样的条件下，pvt的计算精度可能非常差，所有其他误差原因在获取gnss信号时和跟踪所述信号时都相等。

在城市峡谷(即高层建筑之间的街道)中，多径不仅会增加确定卫星伪距时的误差(用户等效范围误差或uere)，还会增加确定(几何)精度稀释(gdop或dop)的误差，因为天线的视场将更窄，因此限制了由于使用额外卫星而导致的精度增加。

uere中的退化是由于跟踪环路获取或跟踪的特定卫星的信号损伤引起的。卫星的跟踪依赖于所获取的代码信号与由每个卫星特定的代码信号的接收器产生的多个本地复制品之间的相关函数的最大化。相关函数将被多径破坏，可能无法正确获取或可能丢失卫星。即使信号跟踪仍然可以实现，信号损伤将影响相关函数的形状，从而降级伪距估计和uere。

因此，大多数缓解技术依赖于在相关阶段应用的特定处理。对于可以应用的这些现有技术的一般概述，参见例如bhuiyan等人，advancedmultipathmitigationtechniquesforsatellite-basedpositioningapplications，internationaljournalofnavigationandobservation，volume2010，articleid412393。这些技术中有：使用窄相关器(即间隔远小于码片(chip)-或代码长度的相关器)；每个跟踪信道使用多个相关器而不是标准数量的三个，并执行双增量计算；多径估计延迟锁定环，其使用相关函数的输出来估计包括los和非los信号的确定卫星的完整导航信号。

所有这些解决方案在硬件级别或软件级别实现都是复杂且昂贵的。在任何情况下，它们当前都不能在智能电话或汽车导航系统中使用的类型的标准消费者接收器中实现。

因此，重要的是找到一种解决方案，用于减轻多径或其他类型的损伤对导航解决方案的影响(例如，损伤来自一个或多个卫星的信号的强大的局部电离层干扰)，这可以在可供大众使用的标准接收器中实现。

本发明公开了一种克服上述缺点的解决方案。

技术实现要素：

为此，本发明特别公开了一种gnss接收器，其被配置为使用速度测量，该速度测量在每当满足条件时容易获得，从而确定或可能的是速度测量将以比直接使用位置数据更好的预期精度产生接收器位置。

为此，本发明公开了一种gnss接收器，包括：第一计算逻辑被配置为计算gnss接收器的第一位置和第二位置，第一位置基于pvt向量中的位置数据，第二位置基于pvt向量中速度数据的积分结果；第二计算逻辑被配置为估计第一位置的第一误差预算和第二位置的第二误差预算，并使第一计算逻辑输出gnss接收器的计算的位置作为第一位置和第二位置的加权平均，其中，基于第一误差预算和第二误差预算，由第一计算逻辑或第二计算逻辑中的一个或多个计算出计算的位置中的第一位置的第一权重和第二位置的第二权重。

有利地，计算的位置中的第一位置的第一权重等于第一误差预算在第一误差预算和第二误差预算的总和中的比例，以及计算的位置中的第二位置的第二权重等于第二误差预算在第一误差预算和第二误差预算的总和中的比例。

有利地，如果第一误差预算低于或等于第二误差预算和第一阈值的组合，则第一权重等于百分之百。

有利地，如果第二误差预算低于第一误差预算和第二阈值的组合，则第二权重等于百分之百。

有利地，第二位置基于决定标准使用以下中的一个或多个：i)在当前时期(epoch)之前的时期的gnss接收器的计算的位置作为在pvt向量中的速度数据的积分的初始值，或ii)从定位辅助输入的先前时期的gnss接收器的位置作为pvt向量中的速度数据的积分的初始值。

有利地，定位辅助包括地图匹配算法、惯性导航系统的输出或wi-fi定位系统中的一个或多个。

有利地，估计的误差预算取决于所述gnss接收器的配置、鉴于所述gnss接收器的gnss卫星的几何形状、或所述gnss接收器的环境中的拓扑中的一个或多个。

有利地，基于精度稀释(dop)、用户等效范围误差(uere)、用户等效范围率误差(uerre)、或沿着其在先前时期和当前时期之间的路径的积分的速度的随机游走的概率估计中的一个或多个来估计出估计的误差预算。

有利地，第一误差预算等于dop乘以uere。

有利地，第二误差预算等于dop乘以uerre的乘积乘以速度在其内被积分的持续时间。

有利地，通过椭圆体来建模积分的速度的随机游走的概率估计。

有利地，uere和uerre中的一个或多个是参数值、载波噪声比相关值、高度相关值、或信号相关值中的一个或多个的组合。

有利地，第一误差预算或第二误差预算中的一个或多个是预测估计的误差预算，所述预测基于gnss接收器的估计的未来轨迹与所述gnss接收器的配置、鉴于所述gnss接收器的gnss卫星的几何形状、或所述gnss接收器的环境中的拓扑中的一个或多个的所述估计的未来轨迹的概率的组合。

有利地，uere和uerre中的一个或多个被预定义并存储在第一计算逻辑可访问的数据库中。

有利地，本发明的gnss接收器还包括第三计算逻辑，其被配置为根据pvt向量计算航向信息。

本发明还公开了一种使用gnss接收器的定位方法，包括：计算gnss接收器的第一位置或第二位置中的一个或多个，第一位置基于gnss接收器计算的pvt向量中的位置数据，第二位置基于pvt向量中速度数据的积分结果；估计第一位置的第一误差预算和第二位置的第二误差预算，并使第一计算逻辑输出gnss接收器的计算的位置作为第一位置和第二位置的加权平均；其中，基于第一误差预算和第二误差预算来计算出计算的位置中的第一位置的第一权重和第二位置的第二权重。

本发明易于在任何gnss接收器上实现。甚至不需要修改接收器本身。对通常以众所周知的数据格式(例如nmea0183或nmea2000协议)在标准接收器上容易地可访问的许多数据点的访问将允许gnss接收器实践本发明。本发明在严苛和良性环境中都提高了位置精度。在这样做时，它不需要外部数据，例如增强数据、实时运动学、或关于接收器环境拓扑的信息。

附图说明

通过阅读以下对特定实施例的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，纯粹通过非限制性示例给出，该描述参考附图进行，其中：

-图1示出了从现有技术的gnss接收器观察的多径问题；

-图2a和2b示出了在本发明许多实施例中本发明的gnss接收器中损伤速度和基于速度的位置测量的典型误差；

-图3a和3b显示了在本发明的许多实施例中用于计算本发明的标准gnss接收器的两个位置和速度测量的估计误差预算的参数的例子。

-图4表示现有技术的汽车导航系统的显示器；

-图5表示在本发明的许多实施例中被修改以实现本发明的gnss接收器的架构；

-图6表示在本发明的许多实施例中本发明的接收器的计算逻辑的处理步骤的流程图；

-图7示出了在本发明的多个实施例中的现有技术的gnss接收器和本发明的gnss接收器的位置计算的比较的第一示例；

-图8示出了在本发明的多个实施例中的现有技术的gnss接收器和本发明的gnss接收器的位置计算的比较的第二示例。

具体实施方式

图1示出了从现有技术的gnss接收器观察的多径问题。

接收器110位于两个建筑物120之间。某些信号130以直线到达接收器。其他信号140在从建筑物反射后到达接收器。标准接收器不能区分直接信号130和反射信号140，从而导致定位误差。接收器110的给定位置处的多径误差将取决于该位置处的障碍物的特性(高度、其表面的粗糙度等)，而且还取决于视野中的卫星的高度，并且因此取决于一天中的时间以及取决于气象条件。

很难校正多径误差，特别是因为它们是位置和时间相关的，因此需要大量的存储器和/或处理能力。此外，被配置或辅助以容易应对其他类型的误差、尤其是电离层误差的接收器，如双频接收器，在多径环境中效率不高，特别是在需要冷启动时。

因此，与影响导航解决方案的误差预算的其他类型的损伤一样，找到该问题的解决方案始终是一个问题。而对可以应用于标准gnss接收器的简单的方式更是如此。

图2a和2b示出了在本发明许多实施例中本发明的gnss接收器中损伤速度和基于速度的位置测量的典型误差。

图2a显示了gnss速度随时间的变化。线210a示出了3个标准偏差(sd)处的信号边界。gnss速度是根据接收器和视野中的卫星之间的伪距的直接测量，它通常具有比由大众市场惯性传感器输出的速度更低的误差预算，该速度来自加速度积分。此外，gnss接收器和惯性导航系统之间的混合解决方案实施起来很复杂(特别是作为改型解决方案)，并且目前主要局限于专业接收器，特别是在航空电子领域。

图2b显示通过对图2a的速度测量进行积分而计算的位置。线210b示出与线210a相同的3sd边界。可以看出，该位置具有随机游走的行为。实际上，误差预算的比较应该在速度的积分之后进行以确定位置。

图3a和3b显示了在本发明多个实施例中的本发明的标准gnss接收器的两个位置和速度测量的估计误差预算的计算中使用的参数的示例。

图3a取自

https://en.wikipedia.org/wiki/error_analysis_for_the_global_positioning_system，并信任其作者。它显示影响位置误差预算的因素，或uere以及这些误差的数量级。可以看出，较大的因素是电离层效应，可能误差为10m(-5/+5m)，然后是码跟踪抖动(-3/+3m)、卫星星历表、卫星时钟、多径失真、对流层效应和载波相位。

图3b取自《precisevelocityandaccelerationdeterminationusingastandalonegpsreceiverinrealtime》，j.zhang，博士论文(表6.2)，并信任其作者。它显示影响速度误差预算的因素，或用户等效范围率误差(uerre)以及这些误差的数量级。我们可以看到，一般来说，速度的误差预算比uere低两个数量级。这主要是因为速度是从多普勒效应测量的这一事实。而且，即使对于显著的误差，它们的变化也要低得多。例如，电离层效应从高达10米的误差下降到1cm/s的误差量级。多径误差变得可以忽略。

根据本发明，然后将速度积分一次以创建新的计算的位置，该位置通常具有较低的误差预算。

存在积分的速度的误差可能变得大于位置的误差的条件。例如，当uerexdop的乘积变得低于积分的速度的标准偏差时，尤其是当积分时间长时，可能是这种情况。因此，能够然后从速度测量切换到位置测量是非常有利的。使用精确位置作为积分位置的初始位置也是有利的。

图4表示现有技术的汽车导航系统的显示器。

图4是从

http://www.gpspower.net/garmin-tutorials/141052-secret-startup-commands-hidden-menus-garmin-devices.html中提取的，并信任其作者。

美国国家海洋电子协会(nmea)已经定义了格式的标准句子，用于从gnss接收器输出可以用于使用标准接收器实现本发明的大量信息。适用两种标准(nmea0183和nmea2000)。

接收器特别地显示(并在端口输出)：位置410，速度420，c/n0430，对于视野中的每个卫星，其由作为其星座的特性的数字指定，dop450，以及高度460。可以获得其他数据，例如方位角、原始伪距测量、估计的pvt残差等。

图5表示在本发明许多实施例中被修改以实现本发明的gnss接收器的架构。

接收器510是根据本发明的核心gnss接收器，具有一个或多个天线511，多个射频处理信道512和数字处理能力513。核心接收器的确切组成可以变化，这取决于使用情况(军事或专业应用、车辆导航、行人专用设备或智能手机)。它可能能够处理来自多个星座(gps、glonass、beidou、galileo等)的信号，并且对于每个星座能够处理一个、两个、三个或更多频率上的信号。核心接收器可以在fpga或asic中实现，或者作为软件定义的接收器实现，在多个芯片中或在单个芯片组中实现。

如上所述，接收器510可以输出符合nmea格式(或者符合其他格式，包括由制造商定义的专有格式)的消息531,532。通常，制造商以其格式或nmea格式导出其消息。他们中的大多数发布了他们输出的消息的结构。只要输出消息包括由接收器计算的pvt，就会有足够的信息来实施本发明。输出531和532已经与下面提到的内容分开，但这可以通过单个接口而被物理地完成。

这些消息被馈送到计算逻辑520，计算逻辑520将计算根据本发明的导航解决方案，即，根据第一位置的加权平均是计算的pvt的位置，以及作为计算的pvt的速度的第二位置。处理逻辑520可以在硬件附加模块中实现，或者在加载在接收器中包括的存储器中或者添加到其中的软件模块中实现。该软件还可以作为下载和/或安装在智能电话上的应用来获得。它还可以与核心gnss接收器510完全整合在同一板上或相同的fpga或相同的asic中。

从接收器并且可能从存储在包含在处理逻辑520中或与处理逻辑520相邻的存储器中的表输入参数521。

通过端口531从核心接收器输入的参数可以包括图4的描述中列出的部分或全部以及可以被发现对混合第一位置和第二位置有用的其他参数，如下面关于图6进一步描述的。

表格可以包括例如计算误差预算的参数，gnss计算的位置的第一误差预算(uere)和gnss计算的速度的第二误差预算(uerre)，或者通过积分速度计算的位置的误差预算。这些参数可以是uere和uerre的预设值。它们还可以包括uere和uerre的预设值，其取决于卫星的高度和/或它们的当前c/n0和/或gnss信号类型。它们还可以包括接收器的配置(天线的类型或型号、rf处理级的类型或型号、数字处理级的类型或型号)。它们还可以包括在接收器的轨迹上的位置处的多径效应表。它们还可以包括不同的阈值值，其将被用于计算从pvt中的p计算的第一位置的权重，以及根据pvt中的v计算的第二位置，如本发明所提供的。举例来说，对于仅仅寻找粗略定位的行人，可以设置uere的最大值为50m，使得当实际值更高时，完全丢弃p测量。同样，uerre的最大值为1m/s。对于需要更高精度的用户，阈值将降低。

第一计算逻辑522从通过端口或接口532从核心接收器输出的pvt数据中提取p和v。p是第一位置，并且通过对v积分来计算第二位置。在实施例中，根据速度积分计算的距离将被添加到先前由第一计算逻辑522计算的位置，以计算第二位置。但是，一些变体是可能的，例如，基于决定标准，例如，误差预算的阈值或确定接收器被认为位于是否具有晴天的区域中，可以从外部源输入第二位置540。外部源可以是与gnss接收器并置的惯性模块，例如包括加速度计、陀螺仪和磁力计中的一个或多个的装置，如在智能电话中可用的。外部源也可以是地图匹配算法的输出，如在汽车导航系统中可用的，或者用户或设备的任何其他位置源。

第二计算逻辑523根据数据计算在时期的误差预算，该数据可以将来自参数输入的预定信息与来自gnss接收器的信息组合，例如接收器的配置(天线类型或型号、rf处理级的类型或型号、数字处理级的类型或型号)，鉴于所述gnss接收器的gnss卫星的几何形状(由nmea消息提供)，或者在所述gnss接收器的环境中的拓扑，这取决于根据表中可用的多径效应图评估接收的信号如何受多径影响。第二计算逻辑还可以使用处理视野中的卫星的信道的c/n0值，所述值由nmea消息提供。它也可以使用也由nmea消息提供的dop。它还可以使用积分的速度的随机游走的概率。在实施例中，可以通过椭圆体对积分的速度的随机游动进行建模。在实施例中，第一误差预算被计算为dop乘以uere。在实施例中，第二误差预算被计算为dop乘以uerre的乘积乘以速度在其内被积分的持续时间。

第一计算逻辑522或第二计算逻辑523中的一个或多个被配置为计算第一误差预算的第一权重和第二误差预算的第二权重，例如计算为总误差预算的百分比。在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，可以在第一计算逻辑和第二计算逻辑之间划分计算以优化计算。可以将权重计算为每个误差预算在第一和第二误差预算的总和中的比例。

在实施例中，如果第一误差预算低于或等于第二误差预算和第一阈值的组合，则第一权重等于百分之百。第一阈值可以是静态的并且从参数值中的表中提取521。第一阈值也可以根据从nmea消息中提取的gnss接收器处的接收条件动态地修改。

在实施例中，如果第二误差预算低于第一误差预算和第二阈值的组合，则第二权重等于百分之百。第二阈值可以是静态的并且从参数值中的表中提取521。第二阈值也可以根据从nmea消息中提取的gnss接收器处的接收条件动态地修改。

根据本发明，然后使第一计算逻辑输出gnss接收器的位置作为第一位置和第二位置的加权平均值。输出位置是导航解决方案。在一些实施例中，基于第一和第二误差预算的相对值，仅考虑第一位置或仅考虑第二位置以输出gnss接收器的位置。

应注意，即使该数据可以改进导航解决方案，也可以在没有外部数据的情况下获得良好的结果。这是因为可以使用从gnss接收器通过接口531、532容易获得的参数(例如dop、c/n0、卫星的高度)来调整预设uere和uerre以计算适应gnss信号的实际条件或接收的第一和第二误差预算这一事实。

图6表示在本发明的多个实施例中本发明的接收器的计算逻辑的处理步骤的流程图。

根据本发明，步骤611在第一计算逻辑522中执行。

在步骤6111，从gnss接收器获得时间基准t。在冷启动时，时间基准t将是一个时期，之后获得具有好于阈值的置信区间的第一p值。

在步骤6112，从gnss接收器的数字处理阶段计算的pvt获得p。

在相同的时间基准，在步骤6113，从gnss接收器的数字处理级计算的pvt获得v。在步骤6116，v被积分一次。

因此，改进的位置可以被计算为：

pinit在改进的位置计算的开始时间处是p或p’，或者是随时间从几个p或p’值获得的平均位置。

在本发明的变型中，在步骤6115从外部源获得位置p’，如上面关于图5所解释的。在该变型中，逻辑可以被包括在第一计算逻辑中，以实现在时间t选择p或p’的决定标准。决定标准可以考虑由nmea消息发送的gnss位置的准确性。

然后，分别在步骤6117和6118，计算第一位置和第二位置。

在步骤6119，将考虑在第一计算逻辑(图中未示出的实施例)或在第二计算逻辑(如图所示)中计算的第一位置、第二位置和加权来计算将作为导航解决方案输出的位置。

根据本发明，步骤612在第二计算逻辑523中执行。

在步骤6121，通过到gnss核心接收器的接口531或通过外部输入540，从参数输入521获得参数值。

在步骤6122和6123，分别计算第一误差预算和第二误差预算，如上面结合图5所解释的。

在步骤6124，计算误差预算的权重以传递给第一计算逻辑。可选地，可以将误差预算传送到第一计算逻辑，以便其计算权重。

图7示出了在本发明多个实施例中的现有技术的gnss接收器和本发明的gnss接收器的位置计算的比较的第一示例。

图7所示的情况是城市郊区中的机动车辆的轨迹，其中建筑物的密度相当低。接收器(gps、glonass、galileo、beidou)获取并跟踪四个星座。轨迹的持续时间约为50分钟。对误差预算进行简单假设：uere设置为1m的固定值，并且uerre设置为固定值0.1m/s。对于uere而言，这些假设是乐观的，并且对于uerre而言，考虑到当地环境，这些假设是悲观的。在这种情况下，不会添加误差预算的动态修改。在此示例中，根据较低的误差预算进行p或积分的v的简单选择：

-如果第一误差预算低于第二误差预算，则选择在步骤6117从p计算的第一位置作为导航解决方案；

-如果第二误差预算低于第一误差预算，则选择在步骤6118计算的第二位置(作为由v的积分计算的距离被添加到的先前第一位置)。

在图7中，由已知的无辅助gnss接收器计算的车辆的轨迹由线710表示。由其中添加了根据本发明配置的装置520的gnss接收器计算的车辆的轨迹由线720表示。

可以看出，线710示出了轨迹中的多个误差730、740、750，其不遵循道路。该用例说明了在本发明一些实施例中通过本发明的简单实现方式给现有技术的解决方案带来的一些优点。

图8示出了在本发明多个实施例中的现有技术的gnss接收器和本发明的gnss接收器的位置计算的比较的第二示例。

图8所示的情况是城市中心的机动车辆的轨迹，其中建筑物的密度相当高。所使用的接收器和获取和跟踪的gnss星座与图7的情况相同。在这种情况下，轨迹的持续时间约为1小时45分钟。对误差预算做出简单假设：uere设置为固定值2m，并且uerre设置为固定值0.2m/s。这些假设对uere是乐观的，并且对uerre则是悲观的。图8的情况的其他条件与图7的相同。

在图8中，由现有技术的无辅助gnss接收器计算的车辆轨迹由线810表示。由添加了根据本发明配置的装置520的gnss计算的车辆轨迹由线820表示。

可以看出，线810示出了轨迹中的多个误差830、840、850，其不遵循道路。在本发明的一些实施例中，该用例通过本发明的实现方式进一步说明了在受约束环境中本发明相对于现有技术的解决方案的一些优点。

值得注意的是，本发明不仅提供更准确的导航解决方案，而且提供更平滑的轨迹，因为它不受错误830、840和850的影响。

与上述情况相比，在本发明的一些实施例中描述和要求保护的改进仍将改进导航解决方案。例如，表示gnss接收器处的接收条件的动态参数的积分、或基于其误差预算的两个位置计算的加权、或外部导航辅助设备的整合。值得注意的是，这些改进可以借助标准gnss接收器获得，本发明可以以简单的方式添加到该接收器中。

标准接收器例如是(可从

http://gpsworld.com/wp-content/uploads/2015/01/gpsworld_2015receiversurvey.pdf获得的)gpsworld在receiversurvey2015数据库中标记为《娱乐》、《手持式》、《导航》《车辆跟踪》或《用于oem应用的板》的标准接收器。

以上在使用gnss信号的接收器的背景下描述了本发明。它也可以应用于使用由伪卫星传输的信号的接收器，例如由locata^tm销售的伪卫星。

根据本发明，用于计算第二位置的向量v也可用于确定导航航向，所述导航航向可单独使用或与来自其他航向传感器(例如磁力计)的输出组合使用，或者加速度计和陀螺仪的组合，或地图匹配算法。导航航向可以由应用使用，例如以给出相对于导航航向的兴趣点的方向。它还可用于校准其他航向传感器。这可以应用于行人使用的接收器或位于有人驾驶或无人驾驶的汽车、飞机或船上的接收器。

本说明书中公开的示例仅说明本发明的一些实施例。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的所述发明的范围。