CN101711369B

CN101711369B - 位置跟踪设备和方法

Info

Publication number: CN101711369B
Application number: CN2007800534647A
Authority: CN
Inventors: U·沃尔拉特; K·杜塞
Original assignee: Trimble TerraSAT GmbH
Current assignee: Trimble AB
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: US20100141515A1; CN101711369A; WO2009000314A1; US8773303B2; DE112007003538T5

Abstract

本申请涉及通过应用递归滤波器跟踪设备的位置，比如用于探测缓慢和快速的地球变形，所述递归滤波器具有适应于被检测的运动类型的滤波器特性。如果所述位置跟踪设备的运动快速，则所述滤波器特性设置成使得可以以必要的速度跟踪所述快速运动。另一方面，如果所述运动缓慢，比如在正常的板块漂移时期内，则所述滤波器特性设置成使得所述运动被缓慢跟踪，其具有有效降噪的优点，比如输入信号中的噪音被有效阻止，且不通过所述滤波器传递到输出信号。因此，在快速运动时期，所述滤波器输出信号对所述输入信号的收敛速度设置为高，用于快速收敛，以及在缓慢运动时期，所述滤波器输出信号对所述输入信号的收敛速度设置为低，用于缓慢收敛。所述滤波器可以为卡尔曼滤波器。

Description

位置跟踪设备和方法

技术领域

本申请涉及跟踪设备的位置，比如，用于探测(detect)缓慢和快速的地球变形(earth deformation)。

背景技术

本领域已知不同类型的定位系统。比如，卫星导航系统提供在全球范围的自主地球空间定位。全球导航卫星系统(GNSS)允许GNSS接收器采用卫星传递的信号，包括经度、纬度和海拔，来确定其在地球上的位置，其位置确定可在几米甚至厘米内。

比如，轨道卫星广播其精确的轨道数据，包含卫星位置和信号被传输的精确时间。卫星位置可在数据报文中被传递，数据报文添加了充当时间基准的代码。然后接收器可把广播在传递中被编码的时间与内部时钟测量的接收时间进行比较，从而测量到卫星的行程时间。可同时对不同卫星进行几个此类测量，提供接收器位置的精确的确定。

由接收器进行的每个单个距离测量，以到卫星的测量距离跟踪了球壳(spherical shell)表面上的接收器。通过采取几个此类测量以及确定球壳的交叉点，可产生位置定位。通常，由于未知的纬度、经度、海拔和时间，即四个未知参数，精确的定位确定需要来自四个卫星的信号。

这类全球定位系统一般和熟知的应用，是采用卫星导航系统接收器，以确定交通工具、人等的位置。

此外，已知在测量非常缓慢的运动(比如板块漂移)中采用卫星导航系统接收器，以跟踪大陆变形或缓慢运动。通过使用卫星导航系统接收器网络，可产生地球表面的板块改变的地图。

然而，某些事件会干扰缓慢漂移，其由卫星导航系统接收器跟踪，并且，需要估计此类干扰。比如，当与缓慢的板块漂移比较时，地震或山崩可在非常短的时间段导致地球表面大的运动或变形。

为了全面监视伴随有突然快速改变的缓慢地球变形或其他类型的缓慢运动，需要能够处理两种运动类型的系统，比如缓慢板块漂移和由地震、山崩等导致的突然运动。

在缺少快速运动时，已知可获得足够精度的多种滤波器技术，但是为了跟踪快速运动，还需要具有足够的动态范围的滤波器，比如已知的实时动态(real time kinematic)(RTK)滤波器。然而，已知的RTK的问题是，只有当载波相位模糊可分辨时才能获得高精度。载波相位模糊由以下事实引起，即，在基于RTK滤波器的系统中的位置确定采用了载波相位。然而，由于载波信号的每次振荡都重现相同的相位，因此波形的相位模糊。在RTK滤波器解决方案中，载波相位模糊将位置跟踪系统限制到卫星导航接收器间隔在比如100公里以下的网络中。此外，对于RTK滤波器解决方案，还存在多路径传播问题。

发明内容

因此希望在存在缓慢和快速运动时，提供具有提高精度的位置跟踪。

一种解决方案是由位置跟踪设备提供，所述位置跟踪设备包括，用于从多个已知位置的卫星接收定位信号的装置；用于采用适于接收定位信号以及收敛参数作为输入的递归滤波器来确定位置估计的装置；用于获得所述位置跟踪设备的位移估计的装置；其中所述用于确定位置估计的装置适于根据所述位移估计调整所述收敛参数。

根据一个有益的实施方式，所述递归滤波器是卡尔曼滤波器，并且其中，所述收敛参数由输入到所述卡尔曼滤波器的位置噪声构成。

根据另一个有益的实施方式，所述收敛参数由所述位移估计乘以常量构成。

根据另一个有益的实施方式，所述位移估计基于位移测量的时间序列来确定。

根据另一个有益的实施方式，所述位移估计基于下列项中的至少一项来确定：

-来自卫星的所述定位信号的相位；以及

-来自运动传感器的信号。

根据另一个有益的实施方式，所述位移估计基于描述所述位置跟踪设备的运动的速度矢量。

根据另一个有益的实施方式，如果所述位移估计低于预定的探测阈值，则所述收敛参数设置为指示缓慢收敛的值，以及如果所述位移估计超过所述预定的探测阈值，则所述收敛参数设置为指示快速收敛的值。

根据另一个有益的实施方式，为指示快速收敛，所述收敛参数基于所述位移估计来确定，以及为指示缓慢收敛，所述收敛参数由预定常量构成。

根据另一个有益的实施方式，所述位置跟踪设备适于：基于由第一测量时间间隔分隔的第一组定位信号时间序列，执行第一递归滤波过程；基于由比所述第一测量间隔长的第二测量时间间隔分隔的第二组定位信号时间序列，执行第二递归滤波过程；并且，如果所述位移估计超过预定阈值，则采用所述第一递归滤波过程的确定结果，以及，如果所述位移估计低于所述预定阈值，则采用所述第二递归滤波过程的确定结果。

根据另一个有益的实施方式，所述收敛参数包括位移在不同空间方向的协方差。

根据另一个有益的实施方式，提供了用于跟踪位置的方法，其包括在位置跟踪设备从多个已知位置的卫星接收定位信号；获得所述位置跟踪设备的位移估计；基于所述位移估计调整收敛参数；以及采用递归滤波器确定位置估计，所述递归滤波器接收所述定位信号和所述收敛参数作为输入。

根据另一个有益的实施方式，提供了包括指令的程序，所述指令适于使数据处理装置实现位置跟踪的操作。

根据另一个有益的实施方式，提供了包含程序的计算机可读介质，其中所述程序使计算机执行位置跟踪的操作。

根据另一个有益的实施方式，提供了计算机程序产品，其包括所述计算机可读介质。

根据另一个有益的实施方式，提供了用于跟踪板块漂移的系统，其包括多个位置跟踪设备。

其他有益的实施方式将在其后相关的权利要求中公开。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方式的位置跟踪设备的元件。

图2显示了根据本发明的一个实施方式，比如采用图1的设备跟踪位置的操作。

图3显示了根据本发明的另一个实施方式的跟踪位置的方法的操作，特别是概述了基于卡尔曼滤波器以跟踪位置的操作。

图4示出了根据本发明的另一个实施方式的跟踪位置的方法的操作，特别是概述了基于被探测的运动以调整变换参数的操作。

图5显示了根据本发明的另一个实施方式的跟踪位置的方法的操作，特别是显示了用来获取位移估计的操作。

图6显示了根据本发明的另一个实施方式的跟踪位置的方法的操作，特别是概述了采用两种滤波器过程以同时执行缓慢的和快速的运动探测的操作。

图7显示了根据本发明的一个实施方式的系统，其用于探测缓慢变形和快速运动。

具体实施方式

参考图1，现将描述根据本发明的位置跟踪设备的一个实施方式。

所述实施方式涉及通过应用递归滤波器跟踪设备的位置，比如用于探测缓慢和快速的地球变形，所述递归滤波器具有适应于被检测的运动类型的滤波器特性。比如，如果位置跟踪设备的运动快速，则滤波器特性设置成使得可以以必要的速度跟踪快速运动。该情况下，滤波器的输出信号，即运动估计，可密切跟随快速改变的输入信号，即位置信号，其代价是增大了输入信号通过滤波器到输出信号的噪声。另一方面，如果所述运动缓慢，比如在正常的板块漂移时期内，滤波器特性设置成使得运动被缓慢跟踪，其具有有效降噪的优点，即，输入信号中的噪音被有效阻止，且不通过所述滤波器传输到输出信号。也就是说，在快速运动时期中，滤波器输出信号对输入信号的收敛速度设置为高以快速收敛，以及在缓慢运动时期中，滤波器输出信号对输入信号的收敛速度设置为低以缓慢收敛。

图1示意图显示了相应的位置跟踪设备100的元件，比如其中，导航卫星系统接收器，其用于根据从多个轨道卫星接收到的信号确定设备的位置。

位置跟踪设备包括接收器，该接收器用于从多个已知位置的卫星接收定位信号。此外，位置跟踪设备包括滤波器单元120，滤波器单元120用于采用适于接收定位信号和收敛参数作为输入的递归滤波器来确定位置估计。更进一步，设置了位移估计单元130，其用于获得位置跟踪设备的位移估计，其指示了比如由于像地震、山崩等事件引起的位置跟踪设备的突然运动。

滤波器单元120适于基于来自位移估计单元的位移估计来调整收敛参数。

相应地，位置跟踪设备100能够对环境改变起反应，环境改变包括正常操作中的缓慢运动和在未知的时间点发生的快速运动。更精确地，递归滤波器可用于递归过滤一系列来自每个卫星的定位信号，以基于前面的测量达到对位置的良好估计。在滤波过程中，收敛参数指示滤波器的收敛速度，比如，指示滤波器跟随设备位置更快速的改变的能力。如果收敛参数指示快速收敛，实际位置测量对该预测过程的影响较强烈，而如果收敛参数指示缓慢收敛，实际测量对该预测过程影响较小。

相应地，通过基于位移估计的收敛参数调整，滤波过程及因此的位置跟踪设备的位置估计可适于外部环境，比如由于缓慢变形或漂移引起的位置探测设备的未受干扰的缓慢运动，以及由于地震、山崩及类似物引起的突然发生的快速运动。在缓慢运动环境中，收敛参数指示了缓慢收敛，其有助于跟踪缓慢运动，而避免了在估计过程中的探测位置信号误差或测量误差的大的影响。在快速运动环境中，位移估计及因此的收敛参数指示了快速收敛，其在跟踪快速运动过程中有帮助，代价是在估计过程中的探测位置信号误差或测量误差的影响增高，因此寻找在滤波器对测量改变的快速适应与允许影响估计过程的测量误差之间的折衷方法。

本实施方式中的位置跟踪设备可用于跟踪板块漂移，比如上面的描述，和/或任何其他类型比如房屋、桥梁、拦河坝等人造结构的缓慢和快速运动。

在接下来的例子中，将对图1中位置跟踪设备的元件进行更为详细地描述。这里明确指出，下面所指仅为例子，并且不应解释为限制本发明。

一个例子中的位置跟踪设备100由安置在地球表面的固定位置的全球导航卫星系统接收器构成。位置跟踪设备可被安排执行所有被要求的测量和计算，以跟踪设备随时间推移的位置，如上面的描述，然而，其也可提供在不同地点的以分布方式的位置跟踪设备100。在一个例子中，位置跟踪设备由在特殊固定地点的接收器组成，该接收器采用无线或有线(wirebound)通信与中心站或远端站通信。本例中的接收器在预处理操作之前或之后将所接收到的信号传递给中心站或远端站，且中心站或远端站采用递归滤波器以及基于位移估计调整收敛参数，执行所需要的计算，以确定位置估计。位移估计也可在中心站或远端站基于接收自接收器的信号来计算，或可在接收器内直接确定。也就是说，位置跟踪设备中的单个元件的任何分布式的或非分布式的布置(arrangement)都是可能的。

下面对接收器110的例子进一步详细描述。在一个例子中，接收器110由卫星导航系统接收器构成，其可从多个卫星接收定位信号以确定接收器位置。比如，接收器布置成从四轨道卫星接收信号，以计算确定位置所需的空间方位角、经度、纬度以及时间参数。接收器可包括硬件和/或软件元件，比如天线、高频电路、解调电路等，以接收定位信号。此外，接收器可包括中央处理单元和存储适当程序的存储器，当把程序加载到接收器的中央处理单元时，可使得接收器能适当处理从多个卫星接收的定位信号，以获得接收器位置的坐标。

下面对滤波器单元120和位移估计单元130的例子进一步详细描述。如上面所指出的，滤波器单元和位移估计单元根据设备位置的先前测量合作提供位置估计。

为此，滤波器单元采用递归滤波器，其接收定位信号和收敛参数作为输入。在一个例子中，滤波器单元被实现为一种布置，其包括硬件和/或软件元件，比如处理单元和存储合适程序单元的存储器，当把程序单元加载到处理单元时，能执行滤波处理。另外，也可能把递归滤波器单元整个作为硬件布置来实现，比如专用集成电路(ASIC)，其配置成执行递归滤波处理，并配置成从接收器接收定位信号以及接收收敛参数作为输入。

在一个例子中，位移估计单元130根据所接收到的定位信号或根据从运动探测器接收的信号，获得位置跟踪设备的位移估计。位移估计单元可由硬件和/或软件元件构成，比如处理单元和存储器，存储器用于存储合适的程序单元，当加载程序单元时，可使处理单元执行位移估计处理。位移估计单元也可包括运动传感器，用于探测由于设备的快速运动引起的传感器运动或加速，或位移估计单元可从与位置跟踪设备相关联地设置的外部运动传感器接收此类信号。可替换地，位置估计单元被整个作为硬件布置来实现，比如配置成执行所需要的位移探测处理的专用集成电路。

在另一个例子中，位置跟踪单元100包括中央处理单元140和用于存储合适的程序单元的存储器，当运行程序单元时，可使得中央处理单元执行例如上面详述的滤波器单元和位移估计单元的功能。仍在另一个实施方式中，中央处理器(CPU)140也集成了接收器110的至少一些元件，因而实现了接收器110、滤波器单元120和位移估计单元130的功能。

参考图2，下面进一步对本发明的其他实施方式进行描述。图2显示了根据本发明实施方式的用于确定和跟踪位置的方法的操作。图2的操作可采用图1中显示的位置跟踪设备来实现，然而，图2不限于此。

在第一步操作201中，开始位置探测或跟踪，接收来自多个已知位置处的转发卫星(forwarding satellite)的定位信号。比如，轨道卫星广播其精确的轨道数据，包含卫星位置和信号被传输的精确时间。如上面所指出的，来自卫星的各个单个位置信号将接收器定位在球壳表面上距离卫星为所测量的距离的地方。通过采取几次这种测量以及确定球壳的交叉点，可产生位置定位。通常，存在纬度、经度、海拔及时间四个未知参数，精确的定位确定需要来自四个卫星的信号。然而，如果做一定的假设，比如恒定海拔等，来自少于四个卫星的定位信号就足够了。

在一个例子中，定位信号按本领域已知的方式(比如使得相位以位置探测为基础)设定。比如，定位信号包括被调制成指示相位和/或时间基准的载波波形，并指示发射定位信号的卫星身份。

在操作202中，获得了位置跟踪设备的位移估计。优选地，位移估计指示了由于例如由地震、山崩等引起的例如跟踪设备所处地球表面的运动而导致的位置或地点的改变。位移估计可指示加速度、速度或跟踪设备的先前位置与当前位置之间的偏差。在可选方案中，位移估计根据定位信号计算，比如通过对来自多个卫星的定位信号的载波相位求微分。更进一步，可采用传感器感测方向、速度、加速度等。位移估计也可从外部信源获得，比如连接到位置跟踪设备的外部设备或与其有相关通信的外部设备。

在操作203中，之后根据所获得的位移估计调整或更新收敛参数。在一个例子中，位移估计直接与收敛参数成比例，由于允许考虑到定位信号的位置估计的更大的改变，使得指示大位移的位移估计导致了指示快速收敛的收敛参数。在其他例子中，通过接收作为输出的位移估计的任何计算过程或通过基于位移估计的任何其他类型的判定过程，来获得参数。

需要指出的是，操作203可选，即如果有必要的话可只更新收敛参数。比如，如果随时间推移位移估计具有确定的大小或动态改变，可调整收敛参数。

在操作204中，采用递归滤波器接收定位信号以及收敛参数作为输入，可确定位置估计。比如，滤波器是时域递归滤波器，用于根据前面的测量和收敛参数来计算位置估计，其考虑各个位置测量的跟踪来设置滤波器特性。滤波器的收敛参数影响到位置预测可跟随改变或被允许跟随改变从而跟上根据定位信号所进行的实际测量中的改变的速度。通常，如果运动缓慢，即预料设备的位置改变缓慢，则收敛参数可被设置来指示缓慢收敛，因为在该情况下，预料的位置改变小，并且不需要对预测结果做大的改变以跟上或跟踪实际位置。反之亦然，如果预料或探测到大的运动，收敛参数优选地设置为能更快跟踪预测或位置估计的值，即，滤波过程中通过允许位置估计的较大的改变来更快跟踪实际位置。

优选地，滤波器根据至少前面的测量或多个前面的测量，进行位置估计，并且此外，位置估计可基于先前位置估计和根据实际测量估计的当前位置之间的状态转换进行建模。收敛参数优选地设置合适的滤波器特性，即允许快速的跟踪改变或允许缓慢的跟踪改变。收敛参数因此可被视为将滤波器特性设置为低通特性，以及当预料到或检测到大的运动时，强加高通特性或修改的低路径特性。

需要指出的是，递归滤波器可以是任意种类递归滤波器，比如时域递归滤波器。

操作204之后，流程返回操作201，并且位置估计的下一个计算序列开始。

优选地，操作201至204的每个序列基于在时间上预定时刻接收到的定位信号，以使得位置测量的离散序列或历元(epoch)导致位置估计的响应序列。在一个例子中，操作201-204的循环每秒执行1-50次，即，从多个卫星接收的定位信号每秒被处理1-50次，以确定位置估计以及以相同的速度或较低的速度调整收敛参数。然而，需要指出的是，操作201-204的两个循环之间的任何其他间隔都是可能的。此外，在另一个例子中，测量循环取决于位移估计，以使得可能更快跟踪实际位置。

在另一个例子中，采用位移估计来规定操作201-204的序列每秒重复的次数，其中大的位移估计导致了大量的估计循环201-204。相反地，可采用低的位移估计来减小位置估计循环的数量。显然，如果预料到缓慢运动，则需要较少量的测量或估计循环，而在快速运动上，每给定时间间隔可能需要更大量的位置估计。

需要指出的是，尽管图2指示了操作201-204的特定顺序，在其他可选实施方式中，也可能是其他顺序。比如，用于获得位移估计的操作202以及用于调整收敛参数的操作203可在操作204之前或之后执行。

参考图3，下面进一步对本发明的其他实施方式进行描述。图3显示了用于跟踪比如图1中的位置跟踪设备的位置的方法的元件，然而，图3不限制于此。

如上面详述的，使用从卫星(比如四个卫星)接收定位信号以及收敛参数作为输入的递归滤波器来确定位置估计。递归滤波器可以是任何类型的递归滤波器，比如时域递归滤波器。现在图3特别地示出了采用卡尔曼滤波器作为时域递归滤波器的一个例子进行位置跟踪的方法。

卡尔曼滤波器为本领域所熟知。卡尔曼滤波器是有效的递归滤波器，其从一系列可能不完整的和/或带有噪声的测量中，估计动态系统的状态。卡尔曼滤波器基于时域离散的线性动态系统。卡尔曼滤波器是马尔科夫链模型，其建立在受高斯噪声干扰的线性算子上。卡尔曼滤波器采用系统状态矢量，并且在每个离散时间增量上，将线性算子应用到系统状态，以产生新状态。在该过程中，噪音可被混合，并且可能一些信息形成建模系统的控制。

卡尔曼滤波器是递归估计器，其中来自前面时间步长的估计状态以及当前测量被用于计算当前状态的估计。在该情况下，当前状态的估计是对位置跟踪设备的位置的位置估计。

卡尔曼滤波器在两步骤或阶段中操作，即，预测步骤和更新步骤。在预测步骤中，来自前面的时间步长的估计被用于生成当前状态、现在的情况或位置的估计。之后，在更新步骤中，来自当前的时间步长的实际测量被用于改进预测，以达到希望更准确的估计。相应地，在预测阶段，位置估计采用卡尔曼滤波器根据前面的时间步长进行计算，以及在更新步骤，应用于状态即位置的线性算子根据实际测量被更新。

参考图3显示的实施方式，其使用了卡尔曼滤波器，用于跟踪所述跟踪设备的位置。在实施方式中，收敛参数由位置噪声输入或卡尔曼滤波器的组成部分构成，比如用于滤波器更新阶段。在卡尔曼滤波器中，收敛参数可由位移估计乘以一个常量构成，或如参考前面的实施方式所描述的构成。常量通常是比例系数，比如在随后的历元或估计之间的时间间隔。

在图3的实施方式中，在最初操作301中，在开始位置探测或跟踪时，从已知位置的多个卫星，比如四个卫星，接收到一组定位信号。这组定位信号可被称作历元的定位信号。前面指出，每个卫星发送其包括时间基准和卫星身份以及可能更多信息的定位信号，并且位置跟踪设备根据所接收到的数据执行位置探测计算。因此在时间的确定时刻执行位置探测，通常由固定时间间隔分隔，或由取决于所探测的位移速度的时间间隔间距分隔。因此，来自多个卫星的一组定位信号是指在特定的时间点接收的定位信号。

在操作302中，位置跟踪设备的位移估计在当前循环中获得，比如参考余下的实施方式所描述的。比如位移估计可基于所接收的定位信号或外部信息，比如来自加速传感器或类似设备的信息。

然后，在操作303中，根据为下一个循环的位移估计来调整收敛参数，比如参考前面的实施方式所描述的。

需要指出的是，操作302和303可按照图3中所示的顺序来执行，即在操作301之后，使得更新的收敛参数可被用在当前循环中用于位置预测，然而，需要指出的是操作302和303也可在循环的其他时间执行，比如在操作301之前或操作305之后。

然后，在操作304中，卡尔曼滤波器基于位置测量来更新。

在操作305中，位置估计从基于定位信号组和收敛参数的卡尔曼滤波器获得。因此，来自卡尔曼滤波器的位置估计构成了系统状态即位置跟踪设备的位置及相位模糊的预测。也就是说，来自卡尔曼滤波器预测的状态包括跟踪设备的空间位置信息，以及来自单个卫星的信号的相位模糊估计。此外，系统状态的预测取决于构成卡尔曼滤波器位置噪声项的收敛参数。因此此项指示了可能的或预料的距离状态即位置的改变，以及因此可用于调整卡尔曼滤波器的特性，以适于变化的环境，比如缓慢运动环境或快速运动环境。优选地，收敛参数根据卡尔曼滤波器前面的循环进行设置，并因此基于为前面的循环所计算的前面的位移估计。

比如，收敛参数由如前面描述的滤波器预测步骤中采用的卡尔曼滤波器的位置噪声项构成。该情况下，收敛参数由包括不同空间方向上的运动的方差的矩阵构成。通过设置方差，可影响滤波器的行为。方差可根据所预料的运动进行设置，比如，如果在特定应用中，比如由于实际约束引起，总预料到在某方向上的缓慢运动，则相关的方差可被设置为低值。

此外，收敛参数有可能包括位移在不同空间方向上的协方差，以将关于预料的运动的先验信息包括到估计中。比如，也比如由于实际约束引起，一个空间方向上的运动可取决于另一个方向上的运动。

在操作305之后，流程返回操作301，且下一个位置估计循环自操作301开始。

图3的实施方式显示了基于卫星定位信号，使用卡尔曼滤波器来执行位置跟踪，其包括基于探测的位移或跟踪设备的运动来设定卡尔曼滤波器的收敛参数，以使跟踪过程适于外部环境，即地球表面的变形或缓慢运动，或由于地震和山崩引起的快速运动。

下面描述了采用卡尔曼滤波器的跟踪过程的另一个实施方式。

卡尔曼滤波器是一组数学方程，其提供了状态矢量X_k在任意给定时间t_k的最佳估计。此外，有两组不同的方程-预测方程和更新方程。方程组如下：

预测方程：

X_k(-)＝Φ_k，k-1X_k-1(+) (1)

P_k(-)＝Φ_k，k-1P_k-1(+)Φ^t _k，k-1+Q_k，k-1 (2)

其中，

X_k(-)是在时间t_k预测的状态矢量

Φ_k，k-1是在时间t_k-1和t_k之间的转换矩阵

X_k-1(+)是在时间t_k-1估计的状态矢量

P_k(-)是在时间t_k预测的状态协方差矩阵

P_k-1(+)是在时间t_k-1估计的状态协方差矩阵

Q_k，k-1是在时间t_k-1和t_k之间的系统噪声协方差矩阵

更新方程：

X_k(+)＝X_k(-)+K_k{Z_k-H_k X_k(-)} (3)

P_k(+)＝{I-K_k H_k}P_k(-) (4)

K_k＝P_k(-)H^t _k{H_k P_k(-)H^t _k+R_k}^-1 (5)

其中，

X_k(+)是在时间t_k估计的状态矢量

Z_k是在时间t_k的测量矢量

H_k是在时间t_k的设计矩阵

Q_k(+)是在时间t_k估计的状态协方差矩阵

R_k是在时间t_k的测量协方差矩阵

以上述方程清楚表明，新的测量矢量Z_k对估计的状态矢量X_k(+)在时间t_k的影响，由方程(5)中给出的卡尔曼增益矩阵K_k确定。增益矩阵采用预测的状态协方差矩阵P_k(-)以及测量协方差矩阵R_k来确定给新的测量加权多少。当预测的状态协方差矩阵向较小的值比如向零修改时，预测的测量H_k X_k(-)越来越可信，而实际测量Z_k越来越不可信。也就是说，该情况下，实际测量Z_k对预测的测量H_k X_k(-)的影响越来越小，并且滤波器变的更适用于缓慢运动，比如地壳板块漂移。另一方面，当预测的状态协方差矩阵向较大的值修改时，实际测量Z_k对预测的测量H_k X_k(-)影响越来越大，并且滤波器变的更适用于快速的或突然的运动。因此，预测的状态协方差矩阵P_k(-)可被视为构成或至少包含收敛参数。

此外，由于实际测量应普遍地反应真实状态到要求的程度，影响的要求程度可借助于系统噪声协方差矩阵Q_k，k-1，通过向过程注入某些不定度来进行设置。因此，系统噪声协方差矩阵Q_k，k-1可被用作收敛参数，并如参考其他实施方式的描述来调整。

在一个例子中，认为足以假设对位置状态的系统噪声协方差矩阵是：

Q_k，k-1＝qΔtI₃ (6)

其中

q为在变形模型中预料的残余误差(米²/秒)

Δt为t_k-t_k-1(秒)

I₃为3×3单位矩阵

该情况下，方程6中的参数q可用于确定收敛参数。

本例子中的参数q可直接基于跟踪设备的确定位移来设置，并如参考其他实施方式的描述来调整。此处，时间间隔Δt＝t_k-t_k-1构成了乘以参数q的预定常量，以最终获得收敛参数。

比如，缺少其他任何干扰外力，q可设置为缺省值，大约(2厘米)²/年，或1.3e^-11米²/秒。然而，如果由于地震或山崩，天线位置发生突然改变，q可适应以反应位置的动态，如在其他实施方式中所公开的。随着q增大，将给新的测量更多加权，并且卡尔曼滤波器将能更好跟踪天线经过事件后的真实位置。当跟踪设备再次静止时，q可减小到比如缺省值，并且卡尔曼滤波器将进一步收敛到新的天线位置。

参考图4，下面进一步对本发明的另一实施方式进行描述。

图4特别显示了根据探测的位移大小设置收敛参数的操作，以区分静止的或缓慢的运动状态以及非静止或快速的运动状态。

图4的实施方式仅显示了用于设置收敛参数的操作，以及因此图4的操作可开始于图2中的退出点A，即图2的操作201之后，或开始于图3的退出点A，即图3的操作301之后。在按照图4的实施方式确定了收敛参数之后，操作可在图2的进入点B继续，即操作203之后，或在图3的进入点B继续，即在图3的操作303之后。

在初始操作401中，获得了位置跟踪设备的位移估计，比如参考前面的实施方式中所描述的。

在操作402中，确定位移估计是否超过了位移阈值。用于操作402的位移阈值优选地设置成使得区分缓慢运动和快速运动，缓慢运动比如出现在操作的正常时期内，即地球表面的缓慢变形，快速运动比如出现在地震或山崩期间。

在操作402中，确定了位移估计超过了位移阈值，即，如果判定操作402为“是”，则在操作403中收敛参数设置为指示快速收敛。在操作402中，判定为“否”，即如果位移估计未超过位移阈值，则收敛参数设置为指示诸如图3中的卡尔曼滤波器的递归滤波器缓慢收敛。

之后，操作流程继续，比如参考前面的实施方式所描述的，例如参考图2中的操作201，即对位置估计的下一个循环，或图3的操作305。

比如，操作403中，为指示快速收敛，收敛参数可例如通过适当处理位移估计而基于位移估计设置，比如前面所描述的。比如，为避免由于单个位移估计超过阈值导致的错误警报，位移估计的序列可被滤波，比如低通滤波，或可计算预定数量的连续位移估计的平均值。

根据另一个例子，操作404设置收敛参数来指示递归滤波器的缓慢收敛，收敛参数可设置为等于预定常量，指示预料了测量的极微小变化。

在操作403的一个例子中，当采用卡尔曼滤波器时，位移估计可由描述位置跟踪设备的运动的速度矢量构成。因此，在该情况下，卡尔曼滤波器可快速跟随跟踪设备的位置的突然变化。同样的，操作404中，收敛参数可设置为小的值，指示了卡尔曼滤波器的低位置噪声假设了站是实质上静止的。

图4的实施方式能改进缓慢运动时期中的位置估计，其具有根据常量的滤波器的收敛，以及突然运动时期中的改进的位置估计，滤波器的收敛根据探测位移自适应。

参考图5，下面进一步对本发明的其他实施方式进行描述。图5显示了用于预备跟踪的方法的操作，尤其是显示了在位置跟踪设备获得位移估计的实例。

在初始操作501中，从已知位置的多个卫星接收一组定位信号，比如参考前面的实施方式所描述的。

在操作502中，位置跟踪设备的位移估计可根据定位信号组来获得。在一个例子中，位移估计根据来自卫星的信号的相位来确定。对从单个卫星获得的信号的相位进行微分导致了指示相位超时改变的量，以及因此关系到跟踪设备的位移。执行对来自单个卫星的信号的相位差分的这种探测，能使得跟踪设备确定不同方向的位移，即经度、纬度和海拔。当然，跟踪设备的位移也可以在其他坐标系统中计算。

可选地，如操作503中示出的，位置跟踪设备的位移估计可从位置传感器获得，比如加速度传感器或任何其他类型的重力或位移传感器。位置传感器可直接附着到位置跟踪设备，形成其中的一个整体部分，或可定位在外部环境。然而操作501和503可示为不同的选项，两个都可以包括在单个实施方式中。在另一个例子中，位移估计从位移测量的时间序列获得，比如，通过平均位移估计的序列，或通过对位移估计的序列进行低通滤波，以获得可靠的位移估计。

参考图6，下面将描述本发明的另一实施方式。

图6显示了用于执行位置跟踪的操作，特别是描述了通过在不同的时间间隔执行并行的位置跟踪循环来提高跟踪设备对改变环境的适应性的操作。

在静止的或几乎静止的环境中，可以仅以低速率需要这种由于在测量地球变形时的缓慢运动导致的位置估计循环，比如每秒一次，或每小时一次，或甚至每天一次。更频繁的位置估计在该情况下不能改进探测过程，因为测量误差将影响结果。

另一方面，在快速运动的时期内，将需要更频繁的位置估计，以便能跟踪运动，并且位置估计以高速率实现，比如每秒1-50次。

然而根据实施方式，可以基于位移估计修改估计过程的速率，对跟踪设备的较大的位移估计采用高速率，以及对跟踪设备的小位移的或无位移采用较低的位置估计速率。

然而，由于卡尔曼滤波器需要时间以适于对位置估计速率的改变，即当前面采用了较高速率时需要时间以适应于低速率，以及反之亦然，本实施方式公开了以不同速率的并行卡尔曼滤波过程，其第一过程具有较高的速率以及第二过程具有较低的速率。

在操作601中，获得位置跟踪设备的位移估计，比如参考前面实施方式中所描述的。

在操作602中，相应地，根据以第一测量时间间隔分隔为基础的第一组定位信号时间序列，执行第一递归滤波过程例如卡尔曼滤波过程。

于此并行的，操作603中，基于由比第一测量间隔长的第二测量时间间隔分隔的第二组定位信号时间序列，执行第二递归滤波过程，比如一般的滤波过程。需要指出的是，操作601和602分别包括用于以各自速率调整或更新相关收敛参数的操作，比如参考前面的实施方式所描述的。

相应地，第一和第二递归滤波过程都执行位置跟踪，然而，其位置估计速率不同。

在操作604中，确定是否位移估计超过了位移阈值，以及在操作604，判定为“是”，来自第一滤波过程的确定结果被用在操作605中。如果操作604判定为“否”，如果位移估计未超过操作606中的位移阈值，则采用来自第二滤波过程的确定结果。

相应地，在缓慢运动的时期中，采用具有较慢速率和相应较长的时间间隔的滤波过程，而在快速运动的时期中，采用较高速率或较小的测量时间间隔的迭代滤波过程。相应地，在探测快速运动事件比如地震时，可使用最佳的适合的滤波过程。

参考图7，将描述本发明的另一实施方式。

图7示出了用于探测缓慢变形和快速运动的系统。系统包括多个位置跟踪设备100，比如参考前面的实施方式中所描述的。位置跟踪设备100从多个卫星700接收定位信号，并且每个位置跟踪设备根据接收到的信号计算位置估计，如参考前面的实施方式所描述的。位置估计例如以无线或有线通信方式被传递到中心站710，实现测量数据的中心处理或收集。

在网络中合并多个位置跟踪设备，可能在单个位置跟踪设备之间存在较大间隔，实现板块运动的判定(qualification)，而同时可跟踪并考虑快速运动比如地震。

根据另一个实施方式，可提供包括指令的程序，该指令适于使数据处理装置实现具有上述实施方式中的特征的方法。

根据另一个例子，可提供包含该程序的计算机可读介质。

根据另一个实施方式，计算机程序产品可包括计算机可读介质。

根据另一个实施方式，提供包括校准误差校正设备的光学仪器。

根据另一个实施方式，提供光学仪器，其根据上述的实施方式中的上述方法步骤来校正。

根据另一个实施方式，提供位置跟踪设备，其包括：

接收器，其从已知位置的多个卫星接收定位信号，

处理单元，

存储器，其中，

存储器存储定位信号、收敛参数、位置跟踪设备的位移估计以及程序单元，其用于在处理单元上执行，从而采用利用了定位信号和收敛参数的递归滤波器来确定位置估计，并基于位移估计调整收敛参数。

此外，在另一个例子中，存储器存储了作为递归滤波器的卡尔曼滤波器程序，其中，收敛参数由输入到卡尔曼滤波器的位置噪声构成。

在另一个例子中，存储器存储程序单元，以将位移估计和常数相乘，并将结果存储为收敛参数。

在另一个例子中，存储器存储程序单元，以基于下述项之一确定位移估计：

-位移测量的时间序列；

-来自T个卫星的定位信号的相位；以及

-来自运动传感器的信号。

在另一个例子中，存储器存储作为位移估计的速度矢量，其描述了位置跟踪设备的运动。

在另一个例子中，存储器存储程序单元以设置收敛参数，如果位移估计低于预定的探测阈值，则收敛参数设置为指示缓慢收敛的值，并且，如果位移估计超过预定的探测阈值，则收敛参数设置为指示快速收敛的值。

在另一个例子中，存储器存储程序单元以确定收敛参数，对指示快速收敛，基于位移估计来确定收敛参数，以及，对于指示缓慢收敛，确定收敛参数为预定常量。

在另一个例子中，存储器存储程序单元，从而基于由第一测量时间间隔分隔的第一组定位信号时间序列，执行第一递归滤波过程，基于由比第一测量间隔长的第二测量时间间隔分隔的第二组定位信号时间序列，执行第二递归滤波过程，并且，如果位移估计超过预定阈值，则采用第一递归滤波过程的确定结果，如果位移估计低于预定阈值，则采用第二递归滤波过程的确定结果。

在另一个例子中，存储器存储程序单元以确定收敛参数，其包括位移在不同空间方向上的协方差。

Claims

1.一种位置跟踪设备，其包括：

用于接收定位信号的装置，所述装置从已知位置的多个卫星接收定位信号；

用于确定位置估计的装置，其采用递归滤波器，所述递归滤波器适于接收所述定位信号以及收敛参数作为输入；

用于获得所述位置跟踪设备的位移估计的装置；其中

所述用于确定位置估计的装置适于根据所述位移估计调整所述收敛参数，

其中，如果所述位移估计低于预定的探测阈值，则用于确定位置估计的装置适于将所述收敛参数设置为指示缓慢收敛的值，以及，如果所述位移估计超过所述预定的探测阈值，则所述用于确定位置估计的装置适于将所述收敛参数设置为指示快速收敛的值。

2.如权利要求1所述的位置跟踪设备，其中，所述递归滤波器是卡尔曼滤波器，并且其中，所述收敛参数由输入到所述卡尔曼滤波器的位置噪声构成。

3.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，所述收敛参数由所述位移估计乘以常量构成。

4.如权利要求1或2之一所述的位置跟踪设备，其中，所述位移估计基于位移测量的时间序列来确定。

5.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，所述位移估计基于下列项中的至少一个来确定：

-来自所述卫星的所述定位信号的相位；以及

-来自运动传感器的信号。

6.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，所述位移估计是基于描述所述位置跟踪设备的运动的速度矢量。

7.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，为指示快速收敛，所述收敛参数基于所述位移估计来确定，以及为指示缓慢收敛，所述收敛参数由预定常量构成。

8.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，所述用于确定位置估计的装置适于：

基于由第一测量时间间隔分隔的第一组定位信号时间序列，执行第一递归滤波过程；

基于由比所述第一测量间隔长的第二测量时间间隔分隔的第二组定位信号时间序列，执行第二递归滤波过程；以及

如果所述位移估计超过预定阈值，则采用所述第一递归滤波过程的确定结果，以及如果所述位移估计低于所述预定阈值，则采用所述第二递归滤波过程的确定结果。

9.如权利要求1或2所述的位置跟踪设备，其中，所述收敛参数包括位移在不同空间方向的协方差。

10.一种系统，其用于跟踪板块漂移，所述系统包括如权利要求1-9之一所述的多个位置跟踪设备。

11.一种方法，其用于跟踪位置，所述方法包括：

在位置跟踪设备，从已知位置的多个卫星接收定位信号；

获得所述位置跟踪设备的位移估计；

基于所述位移估计调整收敛参数；以及

采用递归滤波器确定位置估计，所述递归滤波器接收所述定位信号和所述收敛参数作为输入，

其中，如果所述位移估计低于预定的探测阈值，则将所述收敛参数设置为指示缓慢收敛的值，以及，如果所述位移估计超过所述预定的探测阈值，则将所述收敛参数设置为指示快速收敛的值。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述递归滤波器是卡尔曼滤波器，并且其中，所述收敛参数由输入到所述卡尔曼滤波器的位置噪声构成。

13.如权利要求11或12所述的方法，其包括通过将所述位移估计乘以常量来确定所述收敛参数。

14.如权利要求11或12所述的方法，其包括基于位移测量的时间序列来确定所述位移估计。

15.如权利要求11或12所述的方法，其包括基于下列项中的至少一项来确定所述位移估计：

-来自所述卫星的所述定位信号的相位；以及

-来自运动传感器的信号。

16.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述位移估计是基于描述所述位置跟踪设备的运动的速度矢量。

17.如权利要求11或12所述的方法，其包括：

为指示快速收敛，基于所述位移估计确定所述收敛参数，以及

为指示缓慢收敛，定义所述收敛参数为预定常量。

18.如权利要求11或12所述的方法，其包括：

19.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述收敛参数包括位移在不同空间方向的协方差。