CN106133547A

CN106133547A - 本地增强全球导航卫星系统广域增强系统

Info

Publication number: CN106133547A
Application number: CN201580016643.8A
Authority: CN
Inventors: 罗德里戈·李安度
Original assignee: Hemisphere Gps (global Position System) Co
Current assignee: Hemisphere Gps (global Position System) Co
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-11-16
Also published as: WO2015131064A1; US20150247931A1

Abstract

本发明提供了一种本地增强GNSS广域增强系统。该系统包括全球基准处理中心以及由广域基准站和GNSS卫星形成的广域基准网络。全球基准处理中心与广域基准网络进行通信，以接收全球网络数据并且形成全球校正数据。该系统还包括本地基准处理中心和本地基准网络，本地基准网络具有基准站以及与GNSS卫星通信的漫游接收器。本地基准处理中心与本地基准网络进行通信，以接收本地网络数据并且形成本地增强数据。该系统还包括将由全球校正数据和本地增强数据形成的校正数据发送至漫游接收器的通信链路。

Description

本地增强全球导航卫星系统广域增强系统

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)定位包括使用从GNSS卫星接收的信号来计算GNSS接收器的天线的位置。为了对GNSS接收器的天线的位置进行这样的计算，可以使用一个或更多个GNSS卫星。GNSS的当前示例为由美国、俄罗斯、中国和欧盟创建和维护的GPS(全球定位系统)、GLONASS(全球导航卫星系统)、北斗和伽利略。

使用GNSS可以实现定位性能依赖于几个因素，如接收器硬件—包括天线—的质量；接收器天线周围的环境的干扰水平；大气活动；所使用的卫星的数量；卫星时钟和调制的质量；每个卫星所使用的信号的数量；数据处理算法的质量；以及用于对观测数据(通常称作校正数据)进行建模的信息的性质和质量。

当自主操作时，GNSS接收器使用由每个GNSS控制部分广播的信息对信号可观测量进行建模。以通常被称为广播星历的形式包括该信息。当用于处理观测量时，作为卫星信号的一部分被发送的广播星历数据通常递送米级位置。由于在一些应用中强烈要求比米更高的位置精确度，所以开发了一些技术意在通过生成、发送和利用高精确度校正数据来增强GNSS性能。这些技术中的每一项技术不具有精确反映GNSS接收器的位置的能力。

因此，由于现有系统的局限性，所以需要一种新的本地增强GNSS广域增强系统。

附图说明

当结合附图考虑时，可以通过参考具体实施方式和权利要求来获得对本发明的更全面的理解，其中，贯穿附图相同的附图标记指代相似的项目，以及：

图1是单个基站本地校正的图解视图；

图2是多个基站区域校正的图解视图；

图3是多个站广域校正的图解视图；

图4是多个站广域全球校正的图解视图；

图5是无线电作为GNSS校正的通信手段的图解视图；

图6是因特网作为GNSS校正的通信手段的图解视图；

图7是卫星通信作为GNSS校正的通信手段的图解视图；

图8是GNSS测量分量和视线校正模型的视图；

图9是GNSS测量分量和视线校正模型的两个源的视图；

图10是GNSS测量分量和卫星效应校正模型的视图；

图11是GNSS测量分量和包括大气建模的广域校正模型的视图；

图12是GNSS测量分量和区域校正模型的视图；

图13是一个位置的广域校正与本地增强校正的数据流的图解视图；

图14是一个位置的广域校正与本地增强校正的数据流的图解视图；

图15是使用互联网进行的一个位置的广域校正与本地增强校正的数据流的图解视图；

图16是使用通信卫星和互联网进行的一个位置的广域校正与本地增强校正的数据流的图解视图；

图17是一个位置的本地增强校正与广域校正的组合的视图；

图18是两个位置的广域校正与本地增强校正的组合的视图；

图19是两个位置的广域校正与本地增强校正的组合的视图；

图20是以不同速率生成的广域校正与本地增强校正的组合的视图；以及

图21是描绘对GNSS数据进行处理以形成本地增强GNSS广域校正的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式包括本地增强GNSS广域增强系统，该本地增强GNSS广域系统执行对从多个卫星的GNSS信号的一个或更多个站处的观测量得到的GNSS数据进行处理的方法，包括：获得广域校正参数组；生成广域校正的本地校正；以及使本地校正数据可用。

常规校正技术

下文讨论GNSS校正技术的若干模式中的一些模式。

1.单个基站本地校正

在该技术中，如图1所示，在已知位置处使用基准接收器10以生成校正流，该校正流可以由需要确定其位置的第二接收器12(其通常移动并且因此被称作漫游接收器)使用。在这种情况下，校正数据可以包括减去已知量如接收器与卫星14之间的几何范围和卫星时钟误差(通常被称作DGPS/DGNSS)的基准站数据10或者基准站原始测量。当使用原始测量作为实时校正流的内容时，该定位技术通常被称为差分RTK或者仅仅RTK。当使用单个站12生成校正流时，可以考虑校正流携带关于针对该特定位置如何校正卫星行为(即，位置和时钟)的信息。相同的本地校正性质应用于大气效应。由于该校正仅对于该特定位置有效，所以使用单个站校正的观测建模的精确度与漫游接收器距基准站多远成比例地降低。经受与距离最快去相关的效应的是大气效应，在大多数情况下大气效应在大约10千米以下在基准接收器与漫游接收器之间完全相关，而在20千米以上在某种程度上变得与距离去相关。

2.多个基站区域校正

在该技术中，如图2所示，在预定区域16内部的已知位置处使用多个基准接收器10以生成校正流，该校正流可以由网络区域16内部或附近的漫游接收器12使用。在这种情况下，校正数据可以根据网络处理器的类型以及漫游接收器12与网络处理中心11的连接类型采用若干形式。支持使用基准站10的区域网络16的总体思想是对在该区域内变化的GNSS观测效应—包括接收器卫星几何范围以及最重要的大气效应—进行建模。由于基准接收器10通常分布在感兴趣的区域16内部，所以可以生成遍及该同一区域对效应的行为如电离层信号延迟/超前进行预测的模型。这种类型的信息使得漫游接收器12能够在相同的大气条件下与使用单个基准站时其通常可能的距离相比，距基准站10更长的距离处操作。当使用实时广播的校正时，该技术通常被称为网络RTK。

3.多个基站广域校正

类似于区域网络技术，在该方法中，如图3和图4所示，在已知位置处使用多个基准接收器10以生成校正流，该校正流可以由漫游接收器12使用。然而，覆盖区域通常是整个国家、大陆或甚至整个地球，因此使用术语“广域”。由于网络覆盖的延伸，因此被发送至漫游接收器12的校正通常以所谓的状态空间域来表述。这表示不是发送校正而是将可观测量直接应用于漫游器12、卫星14，并且替代地发送环境行为数据。该数据可以包括用于得到卫星位置、卫星时钟误差、大气活动以及其他的信息。在该文本的背景下，广域可以被视为覆盖任意量的区域，从地球的一部分(图3)到覆盖整个地球表面(图4)。在下文中，广域校正还被称为全球校正。

可以通过若干手段将GNSS校正从它们的源发送至漫游接收器。这些手段中的一些示例包括：无线电通信，如图5所示；因特网，如图6所示；以及卫星通信，如图7所示。

要解决的问题

当可以借助于组合GNSS观测量精确地对所有GNSS观测模型分量进行建模或消除时，才实现完全GNSS性能。GNSS观测分量多大程度上已知或者它们多大程度上被消除决定GNSS系统的性能水平。两个最基本的GNSS位置性能方面是收敛时间(也通常被称为初始化时间)和定位精确度(或者某些应用的精度)。在校正的背景下，便于将GNSS观测分量分成测量偏差、卫星几何效应和大气效应。

测量偏差为不同类型的测量之间的差异。这些差异通常是由于GNSS信号的发送和接收期间的硬件延迟造成的，并且虽然它们不一定随着时间完全固定，但是它们通常表现良好。这些偏差可以包括同一卫星和/或接收器的不同频率的测量之间的差异以及同一卫星和/或接收器的测量类型(例如，伪距和载波相位)之间的差异。

在该背景下，卫星几何效应为与卫星行为直接相关的分量。这些分量包括接收器与卫星天线之间的几何距离(通常被假定为接收器坐标和卫星坐标的函数)以及卫星时钟误差。卫星位置和卫星时钟误差是GNSS观测模型的普遍存在的分量。这表示这些量对于能够观测该卫星的任何接收器有效。由于给定卫星的同一参数组在地球的任何地方都有效，所以卫星轨道误差和卫星时钟误差的普遍存在的属性使这些分量非常适合于广域校正系统或全球校正系统。另一方面，卫星时钟误差在短时间段内以非预测方式变化。由于非预测短期行为，所以仅当以相当高的速率，以不大于几秒的间隔发送时钟校正数据时才可以获得厘米级定位。

大气效应是由地球的大气层对GNSS信号造成的影响。这些影响通常被划分成由地球的电离层和对流层强加的两个主要分量。这两个层以不同的方式与GNSS信号相互作用。然而，大气效应通常对于相当短的距离具有表现不同的特征。不仅大气的行为随着空间变化，而且由于大气物理的非规律特征，通常不易于对其变化进行正确建模。为了对大气效应进行正确建模，尤其如果意在厘米级精确定位，则要求监视站之间的某种程度的接近。无论如何，大气效应通常随着短时间段可预测。除了特定情况如电离层闪烁、锋面过境天气以及太阳/地磁风暴之外，大气效应可以被假定随着时间表现相当好，在某些情况下相关时间可以跨越几秒或者甚至几分钟。前面提到的单个基本方法和多个基本方法经受这些相同的效应。

卫星几何效应和大气效应根据它们随时间或空间的可预测性在某种程度上正交。虽然卫星几何效应随着空间可预测并且难以随着时间建模(至少只要卫星时钟走动)，但是大气效应通常随着时间可预测但更难以随着空间建模。试图将这两类效应组合成单个校正流的系统通常没有充分利用它们的个体属性。图8示出了三个主要的效应分量能够被设想为位置的函数或者换言之位置随着空间的函数的示例。该图还示出了单站本地校正数据将包括什么，即，特定位置的所有分量的所有组合。图9示出了在何处生成第二本地校正和附近本地校正的情况。在该情况下，由两个校正数据流携带的大部分信息将会是相同的，然而它们仍然携带组合效应的所有内容。

广域校正系统、全球校正系统以及某些区域校正系统通常通过对这些分量中的每个分量进行单独建模来论述理解GNSS信号的不同分量的特征的优点。图10示出了生成卫星相关效应而非大气效应的系统的示例。

除了卫星效应以外，大气效应还可以被建模为系统解决方案的一部分。然而，在广域系统和全球系统的情况下，大气建模不足够精确以实现最大的GNSS性能。通过最大性能，应当理解，与通过使用由附近基准站生成的本地校正流可以获得的性能相比，性能相当好。在图11中示出了广域校正模型。

某些区域流将它们的校正流中的GNSS信号的不同分量分离使带宽利用率最优化。这在图12中被示出。然而，校正流通常被构建意在使其分量一起被使用并且从而难以被单独使用。这样的系统的另一特征是它们通常要求监视站的网络作为操作的最低条件，以能够成功地分离每个观测分量。

本地增强GNSS广域增强系统的实施方式

GNSS观测分量的最佳组合通常不是由现有的校正生成和散布系统来实现的。为了这样做，需要使校正数据信息不仅随着时间(或随着带宽利用率)而且随着空间分布取得正确平衡。在这些方面之间找到正确平衡产生GNSS数据的最佳利用率，其中实现了宽的收敛区域，并且可以在感兴趣的时间和位置处获得最大的精确度。同时，校正分量生成和散布的平衡的组合使得实现期望的性能所要求的带宽的最小化。

参考附图，图13描绘了根据校正分量使GNSS信号分量完全分离的本地增强GNSS广域增强系统100。系统100可以包括全球基准处理中心110，全球基准处理中心110从由广域基准站112和GNSS卫星120形成的广域基准网络111接收全球网络数据。系统100还可以包括本地基准网络116，本地基准网络116具有基准站118、与GNSS卫星120进行通信的漫游接收器114。全球基准处理中心110从广域基准网络111接收全球网络数据并且对该数据进行处理以生成全球校正数据。全球校正数据被发送至上行链路设备和本地基准处理中心130。从本地基准网络116生成本地网络数据，解释漫游接收器114与基准站118之间的校正数据。本地网络数据被发送至本地基准处理中心。然后本地增强处理中心130将本地增强数据发送至上行链路设备140。然后上行链路设备140可以通过通信卫星122将由全球校正数据和本地增强数据形成的校正数据发送至漫游接收器114。以这种方式，本地校正数据是对广域校正的校正或增强。

虽然图13示出了经由同一通信卫星122被发送的广域流和增强流，但是图14描绘了还包括第二通信卫星123的相同系统100。在该系统中，可以通过通信卫星123将全球校正数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114，以及可以通过通信卫星122将本地增强数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114。其他实施方式可以使用不同的卫星信道将全球校正数据和本地增强数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114。此外，在一些实施方式中，上行链路设备140可以是以类似的方式操作的多个上行链路设备。

参照附图，图15描绘了根据校正分量使GNSS信号分量完全分离的本地增强GNSS广域增强系统100。系统100可以包括全球基准处理中心110，全球基准处理中心110从由广域基准站112和GNSS卫星120形成的广域基准网络111接收全球网络数据。系统100还可以包括本地基准网络116，本地基准网络116具有基准站118、与GNSS卫星120通信的漫游接收器114。全球基准处理中心110从广域基准网络111接收全球网络数据，并且对该数据进行处理以生成全球校正数据。从本地基准网络116生成本地网络数据，解释漫游接收器114与基准站118之间的校正数据。本地网络数据被发送至本地基准处理中心130。通过因特网150将全球校正数据从全球处理中心110发送至本地增强处理中心130和漫游接收器114。本地增强处理中心130通过因特网150将本地增强数据发送至漫游接收器114。以这种方式，通过因特网150将由全球校正数据和本地增强数据形成的校正数据发送至漫游接收器114。

虽然图15示出了通过因特网150发送广域流和增强流两者，但是图16描绘了还包括第二上行链路设备140、通信卫星122和因特网150的相同系统。在该系统中，可以通过通信卫星122将全球校正数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114，以及通过因特网150将本地增强数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114。应当理解的是，对于该双传输系统，通过因特网150将全球校正数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114，以及通信卫星122通过将本地增强数据从上行链路设备140发送至漫游接收器114也是可行的。

如图17所示，根据其如何处理GNSS信号分量还可以示出该概念。虽然广域校正仍然可以被应用于其覆盖区域下的任何位置，但是GNSS性能在某些位置处用另外的本地校正来增强。可以从给定位置的一个或更多个基准站获得本地增强。因此该系统可以组合GNSS校正系统的若干方面：广域(或者全球)校正系统的宽范围；本地校正系统的高精确度；使用本地服务的高速度和/或高速率校正的较低延迟可能性；以及随着时间和空间的最优化的校正带宽利用率。

由于广域在其覆盖区域内普遍存在，所以其可以用于多于一个的本地增强校正源，如图18所示。

本地增强概念还可以被应用于包括大气信息如SBAS系统的广域校正，如图19所示。

由于广域流和本地流可以使用不同的基准站组，并且由于该数据处理本质上不同，所以任一系统获得的校正数据生成延迟会不同。除了网络数据和处理以外，还具有由通信信道引入的延迟，如前面所指出的，其还可以对于每个源而不同。由漫游接收器感知的校正的延迟的差异的另一源是校正消息的大小。越长的消息，花费越长的时间被接收，解码和解释。由于这，校正的速率还可以在广域校正与本地校正之间不同。使用正确的编码技术和校正技术，能够以某种方式构建本地校正流，以使由漫游接收器感知的校正延迟最小化，还利用潜在更多延迟的广域校正源。换言之，本地增强以比由广域校正系统递送校正更快的速率和更短的延迟来递送校正。这样的方法仍然利用广域流的存在，用本地系统的增强来进一步增多用户接收器的益处。

图20示出了本地系统以与广域校正不同的速率生成校正的设置的图解。在该图解中，本地校正L_0-0、L_1-0和L_2-0使用关于时间0生成的广域校正G₀来递送时间0、1和2的全部校正。本地校正L_3-3和L_4-3使用关于时间3生成的广域校正G₃来递送时间3和4的全部校正。可以使用编码方法和压缩方法，使得可以不基于特定广域校正时间标签而是基于它们的种类来使用本地校正。例如，在下面的图解中，可以使用如下的技术来发送本地校正L_4-3，该技术使得允许其使用基于广域校正G₀或G₃。这样的技术的好处之一是对抗消息发送丢失而更好地恢复系统，即，未成功接收校正G₃的用户将仍然能够基于G₀使用L_4-3。

图21描绘了对GNSS数据进行处理以形成本地增强GNSS广域校正的方法200。方法200包括：从广域网络获得广域校正参数组(步骤201)；从本地基准网络生成本地校正参数(步骤202)；以及使用本地校正参数来增强广域校正参数组(步骤203)。广域校正参数可以在全世界有效，并且可以由基于卫星的增强系统—包括但不限于广域增强系统(“WAAS”)系统、欧洲地球同步导航重叠服务(“EGNOS”)系统、GPS辅助地球同步增强(“GAGAN”)系统以及北斗系统—来提供。本地校正参数包括大地测量参数，例如但不限于数据变换参数、坐标系参数和时间系统信息。

在一些实施方式中，本地校正参数包括辅助数据，可以包括文本消息、警报、信息代码、附加的校正消息、广域校正的完整性信息、本地校正的完整性信息、广域校正的质量指示符、本地校正的质量指示符、大气活动信息以及天气警报和信息数据。

在一些实施方式中，本地校正数据对于一个或更多个通信信道例如但不限于L波段卫星、GBSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号和本地无线电信号可用。

在一些实施方式中，全球校正数据对于一个或更多个通信信道例如但不限于L波段卫星、GBSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号和本地无线电信号可用。

在一些实施方式中，本地校正数据和全球校正数据贯穿不同的通信信道可用，通信信道包括L波段卫星、GNSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号和本地无线电信号的任意组合。

应当理解的是，可以以不同的速率和/或以不同的延迟发送全球校正数据和本地校正数据。此外，在实施方式中，本地基准网络是全球基准网络的子集。

方法200还可以包括由GNSS接收器使用本地校正数据和全球校正数据中至少之一来确定参数组，该参数组包括天线位置、天线加速度、天线速度时间、对流层延迟、电离层延迟、大气层中的水量以及大气层中的电子量。当GNSS接收器的天线移动时，可以执行该方法200。

方法200还可以包括将GNSS接收器的数据发送至本地处理中心并且用作另外的基准站；以及将GNSS接收器的数据发送至广域处理中心并且用作另外的基准站。

为了最好地说明本发明以及其实际应用并且由此使得本领域中的普通技术人员能够产生和利用本发明，给出了本文中所阐述的实施方式和示例。然而，本领域中的普通技术人员将会认识到，仅出于说明和举例的目的给出了前面的描述和示例。所阐述的描述并不意在是详尽的或者将发明限制成所公开的确切形式。在不偏离下面的权利要求的精神和范围的情况下，鉴于上面的教示，很多修改和变化是可行的。

Claims

1.一种对GNSS数据进行处理以形成本地增强GNSS广域校正的方法，所述方法包括：

从广域网络获得广域校正参数组；

从本地基准网络生成本地校正参数；以及

使用所述本地校正参数来增强所述广域校正参数组。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述广域校正参数在全世界有效。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，获得所述广域校正参数组包括从所述广域基准网络接收全球网络数据。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述广域基准网络是基于卫星的增强系统。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述基于卫星的增强系统是WAAS系统、EGNOS系统、GAGAN系统和北斗系统之一。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本地校正参数包括大地测量参数，所述大地测量参数包括数据变换参数、坐标系信息和时间系统信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述本地校正参数包括辅助数据，所述辅助数据包括下列中的至少一个：文本消息、警报、信息代码、附加的校正消息、广域校正的完整性信息、本地校正的完整性信息、广域校正的质量指示符、本地校正的质量指示符、大气活动信息、天气警报和信息数据、以及其组合。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括通过一个或更多个通信信道将本地校正参数发送至漫游接收器，所述通信信道包括L波段卫星、GNSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号以及本地无线电信号。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括通过一个或更多个通信信道将全球校正参数发送至漫游接收器，所述通信信道包括L波段卫星、GNSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号以及本地无线电信号。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括通过不同的通信信道将本地校正参数和全球校正参数发送至漫游接收器，所述通信信道包括L波段卫星、GNSS卫星、无线电发送器、因特网、wifi网络、蜂窝网络、蓝牙、卫星无线电、卫星电话、电视信号以及本地无线电信号的任意组合。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括以不同的速率将本地校正参数和全球校正参数发送至漫游接收器。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括以不同的延迟将本地校正参数和全球校正参数发送至漫游接收器。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括所述漫游接收器使用所述本地校正参数和所述全球校正参数中的至少一个来确定参数组，所述参数组包括天线位置、天线加速度、天线速度时间、对流层延迟、电离层延迟、大气层中的水量以及大气层中的电子量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述漫游接收器的天线移动。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本地基准网络是所述全球基准网络的子集。

16.一种本地增强GNSS广域增强系统，包括：

全球基准处理中心；

由广域基准站和GNSS卫星形成的广域基准网络，其中，所述全球基准处理中心与所述广域基准网络进行通信，以接收全球网络数据并且形成全球校正数据；

本地基准处理中心；

本地基准网络，所述本地基准网络具有基准站以及与所述GNSS卫星通信的漫游接收器，其中，所述本地基准处理中心与所述本地基准网络进行通信，以接收本地网络数据并且形成本地增强数据；以及

通信链路，所述通信链路将由所述全球校正数据和所述本地增强数据形成的校正数据发送至所述漫游接收器。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述通信链路是上行链路设备和通信卫星。

18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述通信链路是一个或更多个上行链路设备和两个通信卫星，其中，第一通信卫星发送全球校正数据，以及第二通信卫星发送本地增强数据。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述通信链路是因特网连接。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述通信链路包括因特网连接和与通信卫星进行通信的上行链路设备的组合。