定位裝置與方法

2023-05-15 00:51:46

專利名稱：定位裝置與方法
定位裝置與方法
技術領域：
本發明涉及定位方法與裝置。具體而言，它用於通過利用衛星星 座知識以及導航接收機的環境改進衛星導航系統的性能。本發明能在 由包括不想要的波或被屏蔽的波的傳播等現象而導致性能嚴重退化 的環境中改進導航性能。
通過測量由星座內的一組衛星發射的波的傳播時間，衛星導航系
統能在三維方向(x、 y、 z)上定位世界上任何地方的接收機。然而， 這些系統在諸如城市區或建築物內等惡劣的環境中只能部分地工作。 當信號被接收機周圍的環境過分阻擋或減弱時，基於發射衛星和接收 機間電磁波信號為視距傳播這樣的假定而計算位置變得不可能。該計 算也會由於導航接收機周圍障礙物的信號反射產生大的誤差。 不同的衛星導航定位系統是公知的。
這些衛星定位系統在諸如城市區或建築物內等惡劣的環境中只 能部分地工作。當信號被接收機周圍的環境(例如，當用戶在室外時 的建築物或山，或用戶處於其中的建築物結構等)反射、阻擋或過分 減弱時，基於衛星所發射的信號沿視距傳播這樣的假定而對計算位置 是不可能的。
文檔WO 01/86315描述了利用衛星信號並與定位計算中心相配 合以確定移動單元位置的方法和裝置，該定位計算中心利用地理信息 系統仿真包括信號以及延遲或反射信號的功率等可能的接收信號。除 衛星數據以及與定位計算中心通訊外，該方法也利用來自移動接收機 也與其關聯的蜂窩通訊系統的信號。該方法將實際的接收與仿真模型 比較，以提高移動單元位置的接近度。
該方法需要在計算中心作大量實時的處理，實際上它的響應時間 是很長的。
本發明旨在克服這些缺點。
更一般地，本發明克服的這些缺點與在受限環境(城市區、山) 中衛星導航系統的可用性與精確度問題有關。
根據第一方面，本發明涉及定位無線電導航信號接收機的方法， 其特徵在於它包括
一預測步驟，用於預測由無線電導航信號源對於若干陸地位置發 射的信號的接收特性，該特性作為所述源的位置、電磁波傳播模型以 及關於每個所述陸地位置的環境的地形資料的函數；
一在其中所述接收機接收無線電導航信號的步驟；
一在其中測量所述接收機接收的信號的接收特性的步驟；以及
一用於處理實際測量特性與預測的特性以提供與所述接收機定 位有關的信息的步驟。
由於這些測量，在計算機系統中所用的處理時間和處理資源是非
常有限的。利用本發明提供了避免誤差源並增加定位或導航服務的覆
蓋區域的方法，即便以傳統方式沒有足夠的衛星信號用於確定接收機
的位置本發明提供了考慮惡化信號或失去信號的方法。
根據具體的特徵，處理步驟包括如下步驟，其中將實際測量的特 性與預測特性匹配以提供所述接收機的至少一個可能位置。
通過這些配置，快速進行處理並使定位成為可能，因為匹配包括 使測量的實際值和預測值對應，並可包括在一些可能的位置間添加新 的位置以及域減少它們的步驟。
根據具體的特徵，在處理步驟中，當幾個位置的預測具有類似的 匹配成度時，對接收機的位移以及它的至少兩個連續位置進行外插求 值以選擇一個可能的位置。
通過這些配置，進行的處理考慮到接收機的連續位置，從而增加 了定位的可靠性。
根據具體特徵，以上簡述的方法包括通過所述接收機從接收的無 線電導航信號確定近似位置的步驟，在處理步驟中，與定位有關的信 息包括校正信息，該校正信息要被用於由所述接收機確定的近似位 置。
通過這些配置，接收機將在兩個步驟中精確確定它的位置。 根據具體的特徵，以上簡述的方法包括通過所述接收機從接收的 無線電導航信號確定近似位置的步驟，在處理步驟中，與定位有關的 信息包括校正信息，該校正信息要被用於到無線電導航信號源的距離 的每次測量，以校正由所述接收機確定的近似位置。 通過這些配置，位置的確定更為精確。
根據具體的特徵，以上簡述的方法包括在其中所述接收機從接收 的無線電導航信號確定近似位置的步驟，在處理步驟中，與定位有關 的信息包括與由所述接收機確定的近似位置的完整性有關的信息。
通過這些配置，用戶能考慮定位的完整性。
根據具體的特徵，以上簡述的方法包括所述接收機從接收的無線 電導航信號確定近似位置的步驟，在處理步驟中，與定位有關的信息 包括有關到無線電導航信號源的距離的每次測量的完整性新型，以校 正由所述接收機確定的近似位置，使得接收機無需考慮至少一個接收 的無線電導航信號，和/或以加權其位置時每個距離測量的影響。
通過這些配置，接收機的位置能被快速、精確和完整地確定。
根據具體的特徵，以上簡述的方法包括所述接收機從接收的無線 電導航信號確定近似位置的步驟，在預測步驟中，圍繞所述近似位置
或圍繞由所述處理步驟確定的前一個位置，選擇所述若干陸地位置的 陸地位置。
通過這些配置，要考慮的陸地位置的數目得以減少。 根據具體的特徵，資料庫包括有關位置以及對這些位置處預測的
接收特性的信息，以表示其中預測的特性被視為是有效的時間段，處
理步驟使用所述資料庫。
通過這些配置，將在該時間段使用對應實際衛星位置的預測特性
執行匹配步驟。
根據具體的特徵，不同的特性在處理步驟被相繼處理，直到至少 一個所用的特性能向接收機提供位置信息。
通過這些配置，資源的消耗是優化的。優選地，第一步將處理需 要最少處理資源的特性。
根據具體的特徵，所述接收特性包括由接收機接收的信號的接收
根據具體的特徵，所述接收特性包括接收的無線電信號的相關函 數的一組特徵值。
根據具體的特徵，所述接收特性包括由接收機接收的信號的極化。
根據具體的特徵，所述接收特性包括由接收機接收的信號的頻率偏移。
通過這些配置中的每一個，能在受限的環境中，換句話說，在其 中無線電導航信號的覆蓋不足以採用傳統的方法確定位置的區域中， 能夠確定位置，且更加精確。
根據具體的特徵，在處理步驟期間，至少使用一個所述的接收特 性以確定每個無線電導航源的可見性狀態，且該可見性狀態被用於確 定與定位有關的信息。
通過這些配置，快速完成處理。
根據具體的特徵，在處理步驟中確定，接收機的速度和移動方向。
由於這些特性，接收機的速度和方向信息能被提供給接收機，或 者它能被用於隨後的預測步驟。
根據第二方面，該發明涉及用於定位無線電導航信號接收機的裝
置，其特徵在於它包括
一預測由無線電導航信號源對於若干陸地位置發射的信號的接 收特性的裝置，所述接收特性作為所述源位置、電磁波傳播模型以及
關於每個所述位置的環境的地形資料的函數；
一用於在資料庫中存儲所述預測特性的裝置； 一用於由所述接收機接收無線電導航信號的裝置； 一用於測量由所述接收機接收的信號的接收特性的裝置； 一用於處理實際測量特性和預測特性以提供關於所述接收機的
位置的信息的裝置。
該裝置的優點、目的和特徵與以上簡述的方法的優點、目的和特
徵是類似的，因而在此不再複述。
通過閱讀以下所給出的說明並參考附圖，本發明的其它優點、目 的和特徵將是顯而易見的，這些說明是用於示例的目的，但並不受限 於此，附圖包括


圖1圖示出用在本發明特別實施例中的部件；
圖2A和2B示出在根據本發明的方法的第一具體實施例中，圖1 中所示的不同部件所用步驟的邏輯圖3A示出在根據本發明的方法的第二具體實施例中，圖l中所 示的不同部件所用步驟的邏輯圖3B示出在根據本發明的方法的第三具體實施例中，圖1中所 示的不同部件所用步驟的邏輯圖4示出當導航接收機既接收直接信號也接收在固定反射器上 反射的信號時，接收信號的功率隨時間變化的實例；
圖5圖示出用於源自導航衛星的電磁射線的直接路徑的相關函 數的傳統形式；
圖6圖示出考慮了源自特定衛星的並沿不同路徑(多路徑)的所 有射線的影響的總相關函數；以及
圖7示出反射作用對都卜勒效應的影響。
本發明涉及通過關於導航接收機的環境的信息以及對來自衛星 的信號在該環境中的傳播建立模型，以改進例如衛星系統等無線電導 航系統的性能的裝置和方法。在該專利中所述的接收機環境包括自然 環境、城市環境以及建築物內。
類似地，該方法可用於GNSS (全球導航衛星系統)衛星以及它 們的補充(所謂的局部或全球的)，或導航系統的互補源(地面上或 飛行器中的輔助無線電頻率源)。
本發明中，任何發射無線電信號並能通過測量這些信號估計到該 源的距離或方向的源均被視作導航系統的互補源。
通過預測一個或幾個用戶環境特有的電磁傳播的特徵值，然後通 過對預測的和由具有這些相同特性的用戶所作的測量進行處理，以獲
得例如用戶的位置等與他的定位相關的信息，以及要用於對其位置估 算的修正值和/或對其位置估算的完整性和/或由用戶接收的每個信號 的完整性的估算，以獲得導航性能的改進。
"預測"一詞在本文用以描述包括預先計算相關參數並在資料庫 中對其進行記錄的方法。所述預測利用結合有用環境中電磁波傳播模 型的軟體模塊進行。考慮到待考慮的環境，所述軟體模塊計算衛星或 其互補源的位置以及來自其遠至導航衛星的發射源的波的傳播。
利用時空處理算法，位置或其它導航信息首先通過由軟體方法預 測的電磁特性推斷，其次通過導航接收機測量。
圖1示出根據本發明的部件和方法的概覽。圖1示出接收機100、 計算機系統130以及地理信息系統150。
導航接收機100包括接收無線電導航信號以及測量這些信號的 特性105的模塊，這和衛星導航接收機一樣。接收的信號的接收特性 由對源自導航系統中的衛星以及可能的導航系統的互補源的信號測 量而得。接收機100也具有向計算機系統130傳遞測量參數以及至少 一個導航系統的源的信號傳播特性的模塊110。
作為變型，特定信息被確定作為由計算機系統130 (例如由隨後 描述的資料庫和軟體處理模塊)所作測量結果的函數。
計算機系統130包括軟體預測模塊(同時還有軟體預測模塊135、 資料庫140、軟體處理模塊145以及導航應用155)。
軟體預測模塊135預測在若干陸地位置的接收特性的值。這些預 測值被保存在資料庫140中。軟體處理模塊145處理由接收機所進行 的實際的測量結果和預測的測量結果，以向該接收機且/或嚮導航應 用155提供與接收機100位置有關的信息。
在不將本發明的應用領域限於這些方法的情況下，以下描述作為 實例並加以解釋的與接收特性的測量有關的方法。
接收機100的位置可以是計算機系統130所用的一個接收特性。 類似地，導航信號的每個源的遠程估算可以是計算機系統130所用的 一個接收特性。
另一個接收特性，即來自衛星的信號接收功率，可通過測量來自
導航接收機100的同相(I)和正交(Q)通過信道的電能確定，並根 據該功率的觀測時間被校正。 一般地，當在相關器的輸入和輸出側以 及不同的濾波器帶中測量功率時，參考信號噪聲密度比C/No的測量。 該接收的功率測量通常由公知的導航接收機進行，以監測每個衛星信 號的採集或跟蹤。在幾種公知的接收^l中，在定位算法中，由該信號 噪聲密度比推導出的接收功率可用於加權接收機和衛星間每個偽距 離測量的影響。
在應用本發明時，測量結果與傳播或接收特性相關，該特性可被 預測作為接收機環境信息以及該環境中傳播現象模型的函數。每個接 收機信道(對每個衛星或導航源)接收的功率具體作為由源傳向接收 機的波的傳播特性。作為變型，用閾值表示傳播特性。例如，閾值被 用於確定從導航信號源接收的信號是直接(沿視距)接收或在特殊傳 播現象(反射、傳播穿過一種材料、衍射)後被接收。來自衛星的視 距信號接收與本發明內容尤其相關。由於它在測量模塊以及計算機軟 件模塊中使用簡單(見以下)，此概念可被軟體處理模塊用作傳播的 第一特徵元素。
還使用接收的來自衛星的信號的功率測量的變化。當傳播通道存 在反射或衍射時，觀測到測量的功率的周期變化，且此變化既可以是 時間上的變化也可以是空間上的變化。因此，對該變化的測量將給出 關於信號傳播的信息，並能被具體用於確定幹擾導航測量的反射路徑 的存在。
圖4示出當導航接收機既直接接收衛星信號，也接收固定反射器 所反射的信號時，接收信號的功率隨時間的變化實例。對變化幅度與 /或空間形狀或時間變化的測量是可由測量模塊105提供的特性。
在衛星導航系統中進行的距離測量基於由每個衛星發送的導航 碼與由接收器產生的應答的同步。具體而言，使用時間相關原則和代 碼鑑別器來測量代碼相移，該測量被用在使代碼與其應答同步的跟蹤 環中。該方法通常用相關函數描述。
圖5示出了該相關函數的傳統形式(在採用了 GPS類型衛星的 C/A代碼的傳統情況中)。由多徑現象引起的誤差可通過研究相關函
數的變化進行預測。每個來自衛星的射線受到傳播現象作用於它的延 遲和特徵功率。然後考慮到來自相同衛星的沿不同路徑的所有射線的
影響，可以繪出總的相關函數。圖6示出特徵多徑相關函數的示例(上 面的曲線是每條射線的總特徵相關函數)。可以看到由於受與直接路 徑相比具有延遲、減弱或增強的信號的影響，相關函數發生形變。
測量模塊105在一些點測量該相關函數的值，或在所謂的"多相 關器"接收機或利用基於FFT (快速傅立葉變換)的採集原則的接收 機中，繪出整個相關函數。該相關函數的形狀大體上與傳播現象相關， 這是該測量特別適用於本發明的原因，它能將測量結果與預測進行相 應的比較。
波的極化也是傳播特性。傳統導航系統中的波以右手圓極化由衛 星發射。因此，直接接收的射線具有該極化狀態，而被反射或透射或 衍射的波將具有右手或左手橢圓等不同的極化。測量模塊105利用測 量極化狀態的方法，該方法如現有技術所述，其是基於使用幾種接受 如右手圓極化和左手圓極化等不同極化的天線，或兩種線性極化但方 向不同的天線。
每個衛星的頻率偏移(都卜勒效應)依賴於衛星-接收機軸線上 的衛星和接收機的相對速度。都卜勒效應可被分解為兩項
DopplerTotal-DopplerReceiveri"DopplerSatellite
第一項對應接收機100的頻移的影響，第二項對應衛星的頻移的 影響。因此，在接收機中由相跟蹤環測量的都卜勒頻移的測量結果提 供有關移動接收機的速度信息的估算。
然而，在特徵為多徑的環境中，接收機都卜勒效應的測量結果是 失真的。反射信號的都卜勒頻移實際對應信號到達天線處的傳播軸線 上的接收機的相對速度。因此，依賴於反射點的位置，都卜勒測量會 為移動接收機速率的計算提供失真的信息。該原理如圖7所示。
都卜勒計算在視距路徑上和在反射路徑上的不同可從如圖7所
示的多徑接收的典型情況中看出。在直接路徑上，我們得到
對反射路徑則得到
W=Y咖ct'+^^ cos
因此，都卜勒頻移的不同與移動接收機的速度以及該速度矢量與 反射路徑的入射方向間形成的角度有關，其依賴於測量是在直接路徑 或在反射路徑上進行。
用於電磁信號接收或傳播的特徵參數包括 一接收機的位置，由接收機估算；
一接收機到每個無線電導航信號源的距離，由接收機估算； 一從信號接收的功率，或者功率變化； 一導航碼的相關函數； 一穿過導航接收機天線的電磁波的極化；
一每個信號的頻率偏移或者載波相位(都卜勒效應、傳播效應 等)；與/或；
一信號傳播的任何其它特徵信息。
所考慮的衛星導航接收機不完全地包括GPS(註冊商標，全球定 位系統)接收機、包括來自地球同步衛星的SBAS (基於衛星的增強 系統，Satellite Based Augmentation System)類型接收的接收機，這些 系統例如EGNOS(註冊商標，歐洲地球同步導航覆蓋服務，European Geostationary Navigation Overlay Service)系統或WAAS (註冊商標, 廣域增強系統，Wide Area Augmentation System)、採用GLONASS(注 冊商標，全球導航衛星系統，GLObalNAvigation Satellite System)的 導航系統、未來的伽利略導航系統以及採用這些衛星導航系統或任何 其它現存或未來的衛星導航系統的組合的兼容接收機等。導航接收機 也可處理來自局域增強無線電頻率系統或其它無線電導航工具(利用 pseudolite， LORAN-註冊商標，遠程導航LOng RAnge Navigation的
大寫字母簡寫)的導航信號。
計算機系統BO採用軟體預測模塊135、資料庫140以及軟體處 理模塊145。
軟體預測模塊135至少在給定時刻對若干陸地位置預測若干傳 播特徵參數的值或狀態。例如，作出預測的位置在五米範圍處具有矩 形或三角形格子的規則網格內。
預測的參數對應由導航接收機發射的參數。例如，都卜勒效應的 第二項可通過考慮衛星的軌道、利用衛星導航系統的導航信息中廣播 的歷表數據(年曆)被預測。因此，每個衛星的都卜勒位移的測量結 果依賴於傳播現象，並且根據本發明，可用於處理實際的都卜勒測量 結果與預測的都卜勒值。具體而言，測量可用於探測反射路徑以及用 於軟體處理模塊145的相關信息的接收。軟體處理模塊也可用於基於 通過預測多路徑的影響而獲得的都卜勒測量結果校正對移動速度的 估所，該多路徑的影響作為所考慮的反射器的位置和方向的函數。
一般地，由軟體預測模塊135作出的預測是基於如衛星導航系統 所用的電磁波傳播現象的物理模型。建模可採用統計學或確定性模 型。在確定性模型中，軟體預測模塊135可利用基於幾何光學理論和 衍射理論(均勻繞射理論、物理繞射理論)的模型。本發明可採用與 電磁波傳播的建模有關的任何其它理論。為計算機系統130提供來自 地理信息系統以及要處理的環境150的建模的信息，並在至少一個時 間段以及若干陸地位置，向資料庫140提供處理的環境中預測的衛星 信號的接收電磁特性。
"預測"一詞在本文中用於說明由軟體預測模塊135進行的所有 傳播計算。使用"預測"一詞是因為根據本發明，傳播計算會在應用 相關的區域(城市區、特定建築物等)內事先進行，以作為電磁信號 源的未來位置的函數存儲到資料庫140中。在應用這些預測時，本發 明解決並滿足與要進行計算的可用資源相關的問題。
預測環境模型的接收特性所採用的方法對本專業技術人員來說 是標準的方法。例如，用於預測上述C/N比的方法在Yongcheonsuh 等的題為《Evaluation of multipath error and signal propagation in complex 3D urban environment for GPS multipath identification》(《用 於GPS多徑識別複雜3D城市環境中的多徑誤差和信號傳播的評估》)
的文章中進行了描述，該文在2004年9月21—24舉辦的ION GNSS17th International meeting of the satellite devision的J艮告中第 1147-1156頁公開。
預測具有時間解析度，這是所選擇的有效時間段，使得記錄在數 據庫140中的信息在由軟體處理模塊145進行處理的每個時刻保持有 效。預測的偏差很大程度上取決於衛星位置相對移動物所處區域的變 化。因此，可以為預測選擇相對小的時間解析度(幾分鐘的量級，換 句話說有效時間段的持續時間)，假定在該時間段，與來自衛星的信 號傳捅有關的預測信息不會有大的改變。對該預測的時間解析度的優 化可以顯著地減小軟體預測模塊135所需的計算資源。
此外，因為衛星是沿圓周運動且繞地球具有近似相同的旋轉時 間，所以，對衛星星座的幾個連續配置周期，相同的預測都是有效的。 例如，GPS的周期是23小時56分，伽利略的周期是3天。然而，該 周期是理論上的，會存在變化。因此，預測所需的計算資源得以減小。 然而，根據可用資源儘可能頻繁的重複預測。
資料庫140中包含的數據的空間解析度(所研究的兩個陸地位置 間的距離)根據應用與所需的定位精度性能以及可用於計算和存儲這 些數據的資源而變化。
減小數據存儲所需的存儲空間的一個方法是減少進行預測的陸 地位置的數目。為了給出示例實例，由軟體處理模塊145執行的處理 算法的原則可以是確定在資料庫140中的哪些點是潛在的位置點(那 些預測特性和實際測量特性間的對應較高的點)。目標是減少要考慮 的可能點的數目，同時也減小在這些點的預測更新(特別是當預測實 際作為處理結果的函數實時更新時)。該方法可以減小預測所需的計 算資源。
存儲的預測信息包括所有對軟體處理模塊145有用的信號的傳 播或接收特性，換句話說，也由導航接收器100測量的所有或一些特 性。用於估計每個偽距離測量結果或都卜勒測量結果的統計或概率信 息也保存在資料庫中，以優化它們被軟體處理模塊145考慮的重要程 度。
地圖信息系統(SIG) 150為軟體預測模塊135提供若干陸地位 置的環境的地形模型。"環境" 一次在本文中包括位於所考慮的陸地 位置周圍區域中的所有物理因素(自然地貌或人工建築的不連續性)。 環境模型優選採用三維數字模型(3D模型或可能為2.5D模型)，其 特別適用於描述諸如利用射線跟蹤的模型等傳播模型。
對資料庫中所用的每個陸地位置，或者優選地，對於由先前通過 軟體處理模塊145獲得的處理結果確定的若干陸地位置，以及優選地 對未來的一定時間段，資料庫140保存一組衛星信號的電磁接收特性 以及它們的互補源的特性。
軟體處理模塊145利用由接收機測量的接收或傳播特性以及數 據庫140的內容確定接收機的至少一個可能位置，其作為由接收機提 供的估算位置的函數，或作為接收信號的函數，或作為先前的接收機 位置的函數，或作為兩者的結合的函數。
作為變型，在處理步驟中，軟體處理模塊145確定接收機的可見 狀態性，換句話說，即視距可見性(沒有被屏蔽)，間接可見性(盡 管被屏蔽，仍可接收來自衛星的信號)，或者對星座中的每個衛星都 沒有接收信號。
如果接收機能提供其作為它接收的電磁信號的函數的位置估算， 軟體處理模塊只搜索資料庫中接近接收機所估算的位置的可能位置。 以下的預測將可以只在這些點進行，以限制計算資源。
如果接收機不能提供其作為它接收的電磁信號的函數的位置估 算，則接收機要至少提供一個先前由該接收機佔據並通過內插計算的 位置，處理模塊確定接收機的估算位置，並只搜索資料庫中接近接收 機所估算的該位置的可能位置。作為變型，計算機系統包括記錄接收 機連續位置的模塊，以在由軟體處理模塊145採用的處理方法中使用 位移信息。優選地，這些位置被存儲在另一個運行資料庫中，而不在 資料庫I40,所以資料庫140隻包含預測的值。
軟體處理模塊145通過在這些可能位置的特性和測量特性的相 關因子間插值，或者通過在接收機相繼佔據的位置間插值，從而確定 最可能作為這些可能位置的函數的位置。
軟體處理模塊145可基於大量的數學方法，這些方法採用貝葉斯 類型的概率模型(卡爾曼濾波器、隱馬爾科夫模型、概率網格、粒子 濾波器、神經網絡等)、基於插值多項式與態邏輯的模型，或者是以 上方法的組合。
如上所述，處理步驟的目的是從測量的和預測的接收特性取得接 收機的最可能位置。為達此目的，在定義對應可能的用戶位置的網格 的若干點處，考慮到先驗信息(存儲在資料庫140中的預測特性)以 及測量的特性，處理步驟確定每點對應接收機實際位置的概率。
以下將給出處理算法的實施實例
根據測量的特性，確定不同衛星的視距(LOS)可見性的後驗概 率，該特性例如為這些衛星接收的信號的信噪比。因此，結果為給定 時刻接收機處的相對概率矢量，稱為後驗可見性狀態。此外，資料庫 140直接地或者利用從預測特性得到的先前的計算提供上述網格中不 同點的先驗概率矢量(或先驗可見性狀態)。先驗和後驗可見性狀態 的區別給出網格的不同點處接收機位置的概率，換句話說，即概率網 格，其中易於通過簡單比較提取最可能的位置。
為了減小估算誤差，可以獲得幾個對應不同狀態的概率網格，然 後在獲得的網格上作比較。
儘管上面給出的處理算法給出接收機的位置，但是通常它也能提 供導航信息，艮P:
一接收機的位置或位置區域；
一接收機的速度；
一移動方向。
該信息可隨後被用於啟動導航應用，被傳遞到接收機，以優化該 導航接收機特有的信號的處理。接收機進行對接收的衛星信號一些處 理，例如使信號的跟蹤環同步，而該同步由於對接收機的位置的(近 似)了解而更加容易。因此，由處理模塊確定的位置是對導航接收機 有用的信息，尤其在導航接收機沒有足夠的測量結果來獨立確定位置 時。諸如導航接收機的位置周圍區域中的給定衛星的可見或隱藏狀態 等由軟體預測模塊得到的其它類型的信息可用於改進對信號的處理。
通常的接收機不停地對先前未跟蹤的來自衛星的信號進行時間頻率 搜索。本發明中，利用處理步驟提供的先驗知識提供將計算資源集中 用於其它可能的可接收衛星的方法，該先驗知識是關於源自接收機周 圍區域中的給定衛星(在足夠的功率級別)的信號的非可用性，因此 改進這些衛星的採集時間並減小導航接收機的消耗。
作為變型，當應用採用幾個獨立的導航系統時，軟體處理模塊可 利用這些預測確定與每個導航系統關聯的性能水平。然後軟體處理模 塊能嚮導航接收機提供其質量信息，以控制導航接收機中的信號處理
策略。例如，如果所考慮的一個系統是諸如GPS等的衛星系統，且 接收機能利用另一根據基於地面上的源的接收的定位系統(例如 pseudolites)，那麼軟體處理模塊可以向接收機提供信息，指示系統給 出作為它先前確定的位置的函數的最好的定位性能。
在上述和給出的實施例中，導航軟體模塊155實施導航應用。它 們利用軟體處理模塊145以及與環境相關的資料庫140提供的導航信 息。因此，根據本發明，其可以在其環境中三維表示裝置的每個用戶 的位置，例如在導航接收機100的屏幕(未示出)上。
軟體處理模塊145基於保存在資料庫140中預測的特性與由導航 接收機測量的傳播或接收特性的比較。採用本發明，軟體處理模塊 145的目的是為每個移動接收機100提供若干可能的位置或理想的最 可能的位置。
由軟體處理模塊145完成的處理應用於若干來自衛星的信號的 接收特性信息項。該信息以狀態矢量形式存儲。所考慮的每個狀態參 數由測量的特性確定。
逐個衛星地給出描述狀態矢量的特性，具體包括直接可見性， 反射後可見性，信號噪聲比，相關函數，偽距測量結果，都卜勒測量 結果以及極化分析。
由軟體處理模塊145的處理算法可以使用幾個測量時刻，以評估 每個參數隨時間的變化。例如，測量特性從一個測量時刻到另一個的 顯著變化是對處理有用的信息(例如衛星的丟失或獲得)。
直接或間接可見性可由通過導航接收機測得的一個或幾個信息
項確定。它可通過測量接收波的極化的信噪比或該比的變化進行估 計，或通過研究測量的都卜勒頻移的值以及該頻移隨時間的變化進行 估計。此外，使直接路徑的測量結果變差的多路徑的存在也可通過觀 察相關函數檢測到。
可見性參數對軟體處理模塊145是非常重要的。它們能顯著減小 可能的位置空間，以使計算成本最小。根據本發明，該處理的分層設 計可以優化要比較的信息。以下給出軟體處理模塊145的分層操作結 構的一個實例
一作為第一步，使用衛星的直接和間接可見性的測量和預測來將 可能的定位區域減小到只包括衛星的可見性狀態與預測一致的區域。 然後可將處理限制在該可見性一致的區域中。根據可用衛星的數目， 處理然後利用其它測量結果，諸如相關函數測量結果、功率測量結果、 都卜勒頻移測量結果、以及這些測量結果隨時間的變化，以減小處理 區域或簡單將概率類型值與處理區域中的每個陸地位置關聯，對測量 與預測間的處理質量進行轉換。
一然後使用偽距和都卜勒類型測量在減小的一致區域中指定位 置。在處理區域中，與每個點關聯的概率加權可通過偽距測量、從這 些點到衛星的實際距離以及預測的偽距測量(包括對偏差(變化)類 型誤差估計的預測)間的一致性測量結果來指定。
根據本發明，由這些預測推出的信息實際上可在算法定位方法中
被用於不同的層級
一由軟體處理模塊145取得的處理結果可用於減小可能的求解 空間並因此改進導航性能的精度。(如上參考圖1到圖7及以下參考 圖3A和圖3B所述)
一預測信息可被用於校正或加權每個偽距測量結果構的使用，以 改進定位精度。當有足夠的無線電導航信號可用時，傳統的無線電導 航接收機採用基於接收機和每個衛星間距離的測量結果的三角測量 法計算它的位置。這些測量結果被稱為偽距(pseudo-distance).這些 測量結果由於傳播現象會產生變差。接收機能在步驟245中向計算機 系統提供這些偽距測量結果。根據圖3A所示的第二實施例，對傳播 現象的預測提供了對每個無線電導航源的相應測量誤差的價算方法。
然後要加的校正值在步驟300由計算機系統計算出，並在步驟310被 傳遞到導航接收機。接收機在步驟320中釆用本專業領域公知的差分 校正程序，利用這些校正值校正它對位置的估計。
一傳播現象預測信息可被用於預測接收機測量的偽距測量中的 大誤差。因此，在圖3B中所示的第三實施例中，在步驟330中，對 每次測量，該測量的完整性將被確定作為預測和由接收機進行的實際 特性測量結果的函數。這些完整性數據然後在步驟340被傳送到接收 機中。可以看出，傳遞到接收機的完整性信息對由接收機或由來自每 個無線電導航信號源確定的位置來說是公用的。根據諸如WAAS以 及EGNOS系統等前述的增強系統的結構中公知的方法，每個測量的 完整性信息將被接收機用於選擇在步驟350中的定位算法是否使用 測量結果(如果測量的數目很大，則可以考慮不使用它們中的一些)， 或在步驟350確定位置時加權每個測量結果的影響(利用加權最小平 方類型算法的通常三角測量法的情況)或在步驟360中將計算的位置 完整性狀態傳遞給系統用戶。
也可以考慮採用由處理步驟獲得的精確位置以減小衛星丟失時 接收機的鎖定時間在接收機位置和信號採集性能(釆集時間)間存 在聯繫。對位置的估算可用於優化接收機的處理。
圖2A示出預備步驟205，將衛星曆書數據載入計算機系統。然 後諸如城市和山區以及在根據本發明的方法所使用的區域等若干陸 地位置的地形學模型在預備步驟210從地理信息系統載入計算機系 統中。
然後在預備步驟220中，確定預測的空間解析度和時間解析度。 這些解析度依賴於使用的區域可以不同例如，在最大的城鎮以及在
山中，為了考慮到對衛星波的傳播幹擾的更多可能性，空間解析度和 時間解析度將增加。
然後在預備步驟225中，對於在步驟220中確定的每個陸地位置 以及每個時間段確定每個衛星以及每個互補源的預測傳播或接收特 性，其作為由地理信息系統提供的地形信息的函數。
在步驟230中，接收機接收來自衛星和互補源的電磁信號。
在步驟235中，接收機確定來自每個源、衛星和互補源的信號的 傳播或接收特性。
在步驟240中，接收機通過插值估算其位置，該位置作為接收信 號的函數，或作為它的最近位置、速度和位移方向的函數。作為變型， 計算機系統進行該插值。
在步驟245中，接收機向計算機系統傳輸對其位置以及接收的信 號的傳播和接收特性的估算。
在步驟250中，計算機系統選擇資料庫中要檢查的陸地位置和時 間段。要檢査的陸地位置是接近接收機估算位置的陸地位置。
在步驟255中，計算機系統選擇要檢查的傳輸或傳播的第一特性。
每個源的特性具體包括直接可見性，反射後可見性，信噪比， 相關函數，偽距測量結果，都卜勒測量結果以及極化分析。
第一步是利用衛星的直接和間接可見性的測量和預測結果，以將 可能的定位區域求解減小到只包括衛星的可見性狀態與預測一致的 區域。下一步是利用其它特性，以測量相關函數、功率測量結果、多 普勒頻移測量結果以及這些測量結果隨時間的變化。
然後偽距和都卜勒類型測量被用於在減小的一致處理區域中清 晰接收機的定位，該處理由軟體處理模塊145進行。在一致性區域中， 與每個點關聯的概率權重可通過偽距測量、從這些點到衛星的實際距 離以及預測的偽距測量間的一致性測量結果被清晰化。
可以看出，上述的測量結果或特性的順序只是作為示例實施例給 出的。
在步驟260 (圖2B)中，所述計算機系統對所選擇的陸地位置 進行搜索，對所選的時間段，要檢査其特徵值的陸地位置接近所述接 收的測量值。
在步驟265中，計算機系統確定在步驟255中確定的陸地位置的 可靠性是否大於閾值。
如果是，計算機系統將跳到步驟275。否則，在步驟270，計算
機系統按步驟255指示的順序選擇新的待檢査的傳播或接收特性，並 返回步驟260。
在步驟275中，計算機系統確定接收機的實際位置、它的速度以 及它的移動方向作為以下項的函數 —在步驟260中確定的可能位置； 一接收機的新近位置；
一檢查可能點的特徵值與由接收機確定的該特徵值間的不同。
依賴於可能的位置，軟體處理模塊145通過在這些可能位置的特 性和測量特性的相關因子間插值，或者通過在接收機相繼佔據的位置 間插值，確定單個可能的位置。
然後，在步驟280中，計算機系統將接收機的實際位置以及它的 速度和它的移動方向傳送給導航應用。
在步驟285中，導航應用利用接收機的實際位置以及它的速度和 它的移動方向，以公知的方式提供導航服務。
在步驟290中，導航應用向接收機的用戶提供接收機的實際位 置、速度、移動方向和導航服務。在預定時段後，接收機返回步驟 230。
可以看出，本發明可以通過幾種物理結構實施，而目標應用會影 響結構的選擇。傳統地，兩種根本不同的解決方案用於導航應用。它 們的根本區別在於計算導航方案的模塊的物理定位。兩種根本不同的 解決方案通常為集中式結構(由計算中心計算用戶的位置)與分布式 結構(由每個用戶計算位置)。
根據本發明，兩種主要類型的結構都是可以考慮-一對於集中應用，移動用戶只有移動導航接收機和與應用伺服器 通訊的裝置。它向伺服器提供其測量結果，該伺服器包括包含軟體預 測模塊、地理信息系統、資料庫和軟體處理模塊145。因此，預測的 導航信息被存儲在伺服器。依賴於應用，該信息可被傳遞給用戶或應 用管理伺服器。
一對於分布式應用，移動用戶具有導航接收機以及運行軟體處理 模塊145和軟體預測模塊135所需的計算資源。依賴於所考慮的應用，
用戶也可具有用於傳送其導航方案以及從地理信息系統下載信息的 通訊裝置。他也能在本身的存儲資源中使用地理信息系統，那麼則不 再需要任何與外界的通訊連接。這樣，他所用的稱為獨立導航。
也可以考慮混合型的結構，換句話說採用部分分布式，其中，接
收機包括接收預測接收特性的模塊和軟體處理模塊145，然後無線電 導航輔助伺服器包括軟體預測模塊130、資料庫140以及可能的地理 信息系統150。然後，伺服器響應來自客戶端用戶的請求提供預測的 接收特性，客戶端用戶進行處理以取得定位信息。
可以看出，作為變型，預測資料庫可保存要使用的實時變化信息， 以在預測結果保存在資料庫中的每個有效時間段內，確定作為精確時 間和參考時間的函數的預測值。
作為變型，軟體處理模塊至少每兩個時間段在預測的特徵值間進 行插值，以確定對應精確時間的預測特性。
權利要求
1、定位無線電導航信號接收機的方法，其特徵在於所述方法包括-預測步驟，用於預測由無線電導航信號源對於若干陸地位置發射的信號的接收特性，該特性作為所述源的位置、電磁波傳播模型以及關於每個所述陸地位置的環境的地形資料的函數；-接收步驟，其中所述接收機接收無線電導航信號；-測量步驟，其中測量所述接收機接收的信號的接收特性；以及-處理步驟，用於處理實際測量的特性與預測的特性以提供與所述接收機定位有關的信息。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述處理步驟包括 如下步驟，其中將實際測量的特性與預測的特性匹配以提供所述接收 機的至少一個可能位置。
3、 如權利要求2所述的方法，其特徵在於在所述處理步驟中， 當幾個位置的預測具有類似的匹配程度時，對所述接收機的位移以及 它的至少兩個連續位置進行外插求值以選擇一個可能的位置。
4、 如權利要求1到3中任意一項所述的方法，其特徵在於所 述方法包括通過所述接收機從接收的無線電導航信號確定所述近似 位置的步驟，以及，在所述處理步驟中，所述與定位有關的信息包括 校正信息，所述校正信息要被用於由所述接收機確定的所述近似位 置。
5、 如權利要求1到4中任意一項所述的方法，其特徵在於所 述方法包括通過所述接收機從接收的無線電導航信號確定所述近似 位置的步驟，以及，在所述處理步驟中，所述與定位有關的信息包括 校正信息，所述校正信息要被用於到無線電導航信號源的距離的每次 測量，以校正由所述接收機確定的所述近似位置。
6、 如權利要求1到5中任意一項所述的方法，其特徵在於所 述方法包括在其中所述接收機從接收的無線電導航信號確定所述近 似位置的步驟，並且，在所述處理步驟中，所述與定位有關的信息包 括與由所述接收機確定的所述近似位置的完整性有關的信息。
7、 如權利要求1到6中任意一項所述的方法，其特徵在於所 述方法包括所述接收機從接收的無線電導航信號確定所述近似位置 的步驟，並且，在所述處理步驟中，所述與定位有關的信息包括有關 到無線電導航信號源的距離的每次測量的完整性信息，以校正由所述 接收機確定的所述近似位置，使得所述接收機無需考慮至少一個接收 的無線電導航信號，和域以加權確定其位置時每個測量距離的影響。
8、 如權利要求1到7中任意一項所述的方法，其特徵在於所 述方法包括所述接收機從接收的無線電導航信號確定所述近似位置 的步驟，並且，在所述預測步驟中，圍繞所述近似位置或圍繞由所述 處理步驟確定的前一個位置，選擇所述若干陸地位置中的陸地位置。
9、 如權利要求1到8中任意一項所述的方法，其特徵在於數 據庫包括有關位置以及這些位置處的預測接收特性的信息，以表示其 中所述預測的特性被視為是有效的時間段，所述處理步驟使用所述數 據庫。
10、 如權利要求1到9中任意一項所述的方法，其特徵在於不 同的特性在所述處理步驟被相繼處理，直到至少一個所用的特性能向 所述接收機提供位置信息。
11、 如權利要求1到10中任意一項所述的方法，其特徵在於 所述接收特性包括由所述接收機接收的信號的接收功率。
12、 如權利要求1到11中任意一項所述的方法，其特徵在於 所述接收特性包括所述接收的無線電導航信號的所述相關函數的一 組特徵值。
13、 如權利要求1到12中任意一項所述的方法，其特徵在於 所述接收特性包括由所述接收機接收的信號的極化。
14、 如權利要求1到13中任意一項所述的方法，其特徵在於 所述接收特性包括由所述接收機接收的信號的頻率偏移。
15、 如權利要求1到14中任意一項所述的方法，其特徵在於-在所述處理步驟中，至少一個所述的接收特性被用以確定每個無線電 導航源的可見性狀態，且該可見性狀態被用於確定與定位有關的信 息。
16、 如權利要求1到14中任意一項所述的方法，其特徵在於在所述處理步驟中，確定所述接收機的速度和移動方向。
17、 用於定位無線電導航信號接收機的裝置，其特徵在於所述裝 置包括一預測由無線電導航信號源對於若干陸地位置發射的信號的接 收特性的裝置，所述接收特性作為所述源位置、電磁波傳播模型以及關於每個所述位置的環境的地形資料的函數；-用於在資料庫中存儲所述預測特性的裝置； 一用於由所述接收機接收無線電導航信號的裝置； 一用於測量由所述接收機接收的信號的接收特性的裝置； 一用於處理實際測量特性和預測特性以提供關於所述接收機的位置的信息的裝置。
18、 無線電導航接收機，其特徵在於其包括 一用於測量由所述接收機接收的信號的接收特性的裝置； 一用於接收對於若干陸地位置預測的、由無線電導航信號源發射的信號的接收特性的裝置，所述接收特性為所述源位置、電磁波傳播 模型以及每個所述路地位置的環境的地形信息的函數；一用於處理測量的特性和預測特性以提供關於所述接收機的位 置的信息的裝置。
19、 無線電導航輔助伺服器，其特徵在於其包括 一預測由無線電導航信號源對於若干陸地位置發射的信號的接收特性的裝置，所述接收特性作為所述源位置、電磁波傳播模型以及 每個所述陸地位置的環境的地形資料的函數；一用於在資料庫中存儲所述預測特性的裝置；一用於應用戶的請求提供所述陸地位置的所述預測接收特性的 裝置。
全文摘要
本發明涉及定位無線電導航信號接收機的方法，包括下述步驟預測步驟，對於多個陸地位置和時間值，其用於預測由無線電導航信號源發射的信號的接收特性，所述接收特性作為所述源位置、電磁波傳播模型以及關於每個所述位置的環境的地形資料的函數；接收步驟，其中所述接收機接收無線電導航信號；測量步驟，其中測量由所述接收機接收的信號的接收特性；以及處理步驟，其中，處理實際測量的特性與預測的特性，以提供接收機定位信息。
文檔編號G01S1/00GK101099090SQ200680001763
公開日2008年1月2日 申請日期2006年1月11日 優先權日2005年1月11日
發明者B·戈德弗魯瓦, C·卡爾 申請人:極星公司