CN100578254C - 完整的校正策略 - Google Patents

Abstract

一种导航卫星接收机网络，包括一个为客户端提供实时校正信息的连接到Internet上的服务器。此服务器包括一个提供跟踪导航卫星群的GPS接收机。当客户端在线时，它可以以多项式与系数的形式接收卫星位置与速度信息。时钟、电离层、对流层及其他校正信息都结合到一个多项式中。因此客户端不用计算或使用年历或星历表。

Description

完整的校正策略

技术领域

本发明涉及导航卫星接收机，尤其涉及通过提供电离层、对流层、相对论效应及卫星载具的偏移与漂移(dtsv)、地球自转及其他校正信息来远程辅助导航卫星接收机操作的方法和系统。

技术背景

全球定位系统(GPS)接收机对接收到的几个地球轨道卫星信号作出测量，确定用户位置、速度及其他导航数据。由于接收机与卫星时钟没有精确同步，这种时钟偏移在确定到卫星的距离时会引起错误。这样的表面距离称为“伪距离”(PR)。通过假设在一个测量单元内到不同卫星的所有伪距离有相同的时钟偏移可以计算出时钟错误。因此位置定位需要四个卫星，三个用于计算纬度、经度与高度，即(X、Y、Z)，一个用于计算时钟偏移。

计算到卫星的距离时出现的其他错误是由无线波传播速度与地球自转引起的。传播条件的变化是由于电离层与对流层现象引起。

GPS定位系统的两种基本类型是实时导航与高精度载波相位定位。实时导航系统收集对四个卫星的四个伪距离(PR)的测量最小值。PR测量用于确定接收机的三维坐标及接收机振荡器与GPS系统时间的时钟偏移。差分GPS(DGPS)也收集伪距离观察量，此外还获取测量本身错误的实时校正。

建立信标台就可以在其他无线信道与网络上广播离散实时校正。这些校正一般是本地地理区域所特有的。如果本地DGPS接收机可以得到这些校正信息的帮助，那么它可以提供更好的精确性。但是，每个校正通常需要离散计算。而每个这样的计算将增加CPU的负荷，需要占用处理时间和硬件开销。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法与系统，它能够提供并利用对GPS伪距离测量中固有错误所进行的实时校正。

本发明的另一个目的是提供一种能够提高导航设备精确性的方法与系统。

此外，本发明还有一个目的是提供一种造价较低的卫星导航系统。

简单地说，本发明的一个导航卫星接收机网络优选实施例包括一个连接到Internet的服务器，它可以向客户端提供实时校正信息。而服务器包括一个提供导航卫星星群跟踪的GPS接收机。当客户机在线时，它可以接收到以多项式系数的形式发送的卫星定位与速度信息。时钟、电离层、对流层及其他校正信息都包含在第二个多项式中。因此客户端不计算或使用年历及星历表信息。

本发明的另一个优点是所提供的系统和方法可以简化设备需求及使用造价。

本发明所属领域的技术人员在阅读下列结合附图说明的优选实施例的详细描述后，对本发明的上述及其他目标与优点将有全面地把握。

附图描述

图1是本发明网络系统优选实施例的功能框图，其中服务器通过经由Internet通信的实时校正信息辅助客户端；并且

图2是本发明所提供的方法优选实施例的流程图，该方法提供并使用实时校正信息，该实时校正信息被编码成多项式并由图1网络系统中的Internet上传输的命令提供。

详细描述

如果导航接收机对全部星历表或全部年历进行处理，计算卫星位置与速度的话，代价是非常昂贵的。需要处理大量复杂、非算数运算，如三角函数及微积分运算。在本发明的所有优选实施例中都使用了卫星位置与速度模型(SPV)多项式，用来近似卫星的位置与速度。对多个位置与速度进行多项式拟合，然后在小的时间间隔内的任何时刻，都可以使用该多项式估计卫星的位置和速度。在评价各个SPV时需要考虑速度、存储量、位置与速度的精确性。在服务器的帮助下可以校正内在的量化错误。一般来说，需要获取大约1米的位置错误、优于0.01m/s的速度错误、少于10^-6秒的时间错误并且需要将存储量与计算时间最小化。

图1中是本发明的一个优选实施例中的网络系统100，它包括GPS参考台与网络服务系统102、GPS用户与网络客户端系统104及中间的计算机网络106，如Internet。GPS参考台与网络服务系统102主要通过网络106提供错误模型及纠错信息，帮助GPS用户及网络客户端系统104提供更好、更迅速的定位解决方案。

服务器系统102包括一个锁定并跟踪导航卫星星群108、110及112的导航卫星接收机。客户端系统104可以看见其中的某些导航卫星。因此GPS参考台与网络服务器系统102可以知道时间，也可以知道其固定位置以及计算出的GPS解决方案与它所调查到的位置有何不同。GPS参考台与网络服务器系统102能够从这些数据中产生简化的多项式错误模型及信息。GPS参考台与网络服务器系统102可以测量在本地地理区域内存在的本地电离层与对流层效应。因此，如果GPS用户与网络客户端系统104处于该局部区域，那么差分校正可以很好地应用。

服务器系统102应该一直处于开机状态，并跟踪其导航卫星星群108、110及112。然后它就可以识别精确、绝对的系统时间，并且可以为网络上的其他导航卫星接收机提供当前的星历表、对流层、电离层及其他信息。这些信息可以以记次付费的形式或作为一项预订提供。

GPS伪距离校正通常包括对流层、电离层、相对论效应及卫星载具的偏移与漂移(dtsv)及地球自转校正。卫星自己经过的复杂路径可以在卫星位置与速度模型(SPV)中表示。

另外的导航卫星星群，如114与116，对客户端系统104来说也是可见的。客户端系统104包含它自己的导航卫星接收机，但是它不可能已经锁定并跟踪导航卫星112、114与116的导航卫星星群。

本发明优选实施例可以分成三种等级的辅助用户104校正。分别对应于三种不同的网络客户端类型：自动网络客户端、使用ASPV的半自动网络客户端及使用SPV的半自动网络客户端。

通常，本发明的优选实施例计算一个“corrTotal”变量，它是特定时间和用户位置的所有校正的总和。第一个和第二个派生项与校正时间有关，用来计算位置没有改变的用户的近似校正。也可以包括一个位置移动门限，这样如果位置改变得太多，所有的新位置的校正项将自动重新计算。例如：

correction(t_fix)＝corrTotal(t_ref)+corrRamp(t_ref)Δt+corr2nd(t_ref)Δt²

corrDot(t_fix)＝corrRamp(t_ref)+2corr2nd(t_ref)Δt²，其中Δt＝t_fix-t_ref

自动客户端104每32秒都使用星历表信息建立卫星位置及速度模型(SPV)。计算出校正项的和，如corrTotal。使用dtsv的“a1”项，在地球自转中用卫星速度代替卫星位置，将计算的近似值给校正的有关时间的第一个派生项，然后将它们加到corrRamp变量中。第二个派生项corr2nd只包括dtsv的“a2”项。然后使用这两项计算特定位置处的所有校正。

使用ASPV的半自动客户端104需要使用服务器102发送的校正。服务器将在ASPV开始时刻t_ref解决两重的校正，然后在t₁＝t_ref+Δt时刻使用校正值，并在t₂＝t_ref+2Δt时刻及时创建校正多项式。此多项式的系数利用下式计算：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{cor}}_0\\ {\mathrm{cor}}_1\\ {\mathrm{cor}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ \mathrm{\Δ}{t}^2& \mathrm{\Δt}& 1\\ 4{\mathrm{\Δt}}^2& 2\mathrm{\Δt}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{corr}2\mathrm{nd}\\ \mathrm{corrRamp}\\ \mathrm{corrTotal}\end{array}\right]$

得到：

corrTotal＝cor₀

corrRamp＝(4cor₁-cor₂-3cor₀)/(2Δt)

corr2nd＝(cor₂-cor₁+cor₀)/(2Δt²)

这些系数用在客户端104中，计算在定位时刻的校正值。如果用户移动的位置太远，网络客户端104必须向服务器102请求新用户位置的新校正项。ASPV使用Δt＝400，这是因为它在ASPV的整个900秒窗口中都维持相对较小的错误。而对于使用SPV的半自动客户端，所使用的该系数值却为Δt＝16。

表I总结了本发明的各个原型SPV模型A-F的执行过程中的一系列测试中获得的结果。在SPV“Model”列，“p”是位置数，“v”是用来计算系数的速度数。“O2”标识二阶多项式，“O 3”表示三阶多项式，依此类推。“delt”是一个时间测试。在“#Eph”列中是计算系数所需的星历表或其他全部位置及速度的个数。“#Calcs Coef”是系数与位置速度所需的计算的数量与类型的粗略近似。“#Calcs SPV”列出了乘法与加法的数目。“Coef”列标识使用的多项式系数的数目。各个模型得到的错误在最大位置错误“Max Pos Err”与最大速度错误“Max Vel Err”列中给出。

表1

	Model	#Eph	#Calcs Coef	#CalcsSPV	#Coef	Max Pos Err	Max Vel Err
								A	3p’s O2	3	3加法	2m’s 3a’s	9	0.2758	0.0677
B	4p’sO3	4		4m’s 5a’s	12	0.2345	0.0578
								C	2p’s 2v’sO2delt＝64	2	4加法	2m’s 3a’s	9	2.392	0.042
D	3v’s 2p O3	3	7加法1乘法	4m’s 5a’s	12	1.0409	0.00029544
								E	O2 Pos & O2 Vel	3	6加法	4m’s 5a’s	18	0.6409	0.0001
F	2p’s 2v’s O2delt＝32	2	4加法	2m’s 3a’s	9	1.8703	0.0112

现在对Model-E与Model-F进行详细描述。Model-E由2p′s 2v′sO2 delta t＝32秒组成，而Model-F分别使用独立的O2 Pos多项式及O2 Vel多项式。这两个模型都使用与间隔段的起点相对的时间。对Model-E，在t₀+Δt时刻得到第二个位置与速度，其中Δt＝32秒。计算系数的等式的矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}{p}_{-1}\\ p_0\\ p_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}{t}^2& -\mathrm{\Δt}& 1\\ 0& 0& 1\\ \mathrm{\Δ}{t}^2& \mathrm{\Δt}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_2\\ A_1\\ A_0\end{array}\right]$

A₂＝(p_-1-2p₀+p₁)/(2Δt²)，A₁＝(p₁-p_-1)/(2Δt)，A₀＝p₀

速度模型也类似，用v代替p，并且使用系数的对应集合。位置与速度模型应描述为：

p(t)＝A₂(t-t₀)²+A₁(t-t₀)+A₀，v(t)＝B₂(t-t₀)²+B₁(t-t₀)+B₀；

在-Δt＜t＜Δt时使用，其中Δt＝32秒。需要另一个速度多项式来将速度的精确度提高到优于0.01m/s。Model-E在位置与速度的系数计算中代价较高。但是，与Model-F相比，Model-E可以更好地维护位置与速度。

也有一些节省开销的方法用于这些SPV中，例如位置的模型化、将速度与时间作为最低位(LSB)值固定的32位整数。用于位置的较好的LSB为LSB＝2^-6米，而速度使用的LSB为LSB＝2^-12米/秒。

固定LSB值的32位的字允许在一些计算中使用整数计算，从而减少了各个变量的存储代价。Delta时间是固定的：Δt＝32秒，而对于不同的固定LSB，系数均写为32位整数。对于时间，Δt小于±64秒，留有重叠计算的额外时间。Δt的整数部分用带符号的7比特数存储，因此十位数表达可以使用25位。Δt可以用带符号的16位整数存储。但是这样将只剩下9比特表示十进制部分。这样所提供的精确度约为0.002，其精确度不足以实现良好的定位。对Model-E，整数可以使用16位的无符号数。而十进制数可以使用11位。这将提供大约0.0005的精确度，可以满足良好的定位。但是，如果Δt＞32秒，表达的数将超过可用的位数。

瘦客户端是易于计算卫星位置与速度的模型中的客户端。这样的模型只需要在很短的时间段内有效即可，而不用在较长时间段的全部星历表中有效。该模型易于计算的特性体现在其校正多项式C(t)上。这样的多项式都是从三个参考点处建立。例如，如果C(t_i)_j是t_i时刻的第j个SV的校正，并且位置为x，则

C(t_i)_j＝-dtsv(t_i)_j+eRot(t_i，x)_j+Iono(t_i，x)_j+Tropo(t_i，x)_j

“dtsv”项负责校正相对论效应与SV的偏移与漂移。“eRot”项校正地球自转。电离层与对流层项校正传播时延。其中，“eRot”代表地球自转，“Iono”代表电离层效应，并且“Tropo”代表对流层效应。这些是本领域普通并且常见的术语。

共有三种类型的对流层与电离层校正：测量校正、测量调整校正及计算校正。当客户端从服务器产生请求时，用户位置的最佳估计发送给预先定位器，并确定进行搜索的SV。初始位置可能与真正的用户位置差别较大，而且为了得到更佳的eRot项，可能需要与服务器进行另一次握手。对每个SV模型，分别创建校正多项式。其参考时间必须与模型同步。

为了提高有效性，SPV模型的参考时间t_ref定为其有效窗的中间位置。校正的参考时间t_corr设为SPV有效窗的起始位置处，因此t_corr＝t_ref-16。这样，半自动SPV客户端的有效窗也为32秒，从而分别在t_corr、t_corr+16及t_corr+32秒处计算上面提到的dtsv、eRot及大气层情况。

半自动ASPV客户端的有效窗大小为900秒，因此分别在t_c+const、t_c+400+const、t_c+800+const秒处计算其dtsv、eRot及大气层情况。在ASPV模型中，t_ref设为有效窗的开始位置。在ASPV中的速度项的LSB设置之后再确定“const”的值。

自动服务的、服务器辅助的自动客户端都是借助星历表的半自动SPV客户端。

共有三种基本的校正类型：类型I、类型II及类型III。

类型I的校正将测量校正合并到客户端校正中，例如，视线电离层、对流层及其他SV时钟或星历表错误。在三种类型的校正中，类型I的校正要求最准确。

在类型II的校正中，一般都假设从SV到参考台的视线是相同的，因此无法使用附近的用户。因此类型II的校正进一步将对流层与电离层的校正元素合并到校正模型中。

类型III的校正在没有SV可用的测量数据时，它们自己提供电离层与对流层模型。

参考台102发送的观察量包括计算的伪距离校正(PRC)，例如，PRC＝dy-b，其中dy＝measured PR-(|X_sv-X_refsta|+eRot-dtsv)。在该模型中，没有电离层与对流层校正元素。而 $b=1/3{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{smallestpairs}}^3|{\mathrm{dy}}_i^{*}-{\mathrm{dy}}_k^{*}|,$ 其中 ${\mathrm{dy}}_j^{*}={\mathrm{dy}}_j-{(I+T)}_{\mathrm{mode}l}.$

对于伪距离率校正(PRRC)，给定参考台的速度为0，则PRRC＝ddy-d，

其中ddy^SV＝measuredRangeRate-(U*V_SV+correctionsDot)。在此模型中没有电离层与对流层派生项。而U＝X_SV-X_U/|X_SV-X_U|，并且 $d=1/3{\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{pairs}}^3|{\mathrm{ddy}}_i-{\mathrm{ddy}}_k|$ ，如果ddy小于两毫秒，pairs的值与b中使用的相同。

用在服务器上的PRRC是经过低通滤波的，从而任何确定的偏移都将被传播。如果它们主要是噪声，那么PRRC设为0。

在参考台的PRC中必须容许有共模偏移。每个SV都存在本身未知的电离层与对流层视线错误，并且参考台本身也存在影响所有SV的时钟偏移。因此，对于参考台跟踪的n个SV的集合，共有n+1个未知量。参考台时钟错误无法完全从电离层与对流层视线错误中提取。但是，任何剩余的共模参考台时钟偏移均可传递到用户时钟偏移中。

本发明的一个优选实施例的实施方式如下：

令d为用户到最近的参考台的欧氏距离。用户位置通常用在客户端请求处理程序中。

令A为一个距离值，在该距离范围内，参考台与用户之间的空间解相关可忽略。

令B为可进行“调整”测量校正的距离。

然后定义三种模式：

1.如果d≤A，则为测量校正；

2.如果A＜d≤B，则为测量调整校正；

3.如果d＞B，则为计算校正。

如果d＜A

如果用户在参考台的A公里距离范围内，设法将所有的PRC从最近的参考台中取出来。那些参考台没有PRC而在客户端的highN中的SV，通过将Iono与Tropo模块添加到校正中进行处理。比较小的A值可以保证这样的PRC很少。通常它们也对应于海拔较低的SV。

如果A＜d＜B。

也就是，如果客户端是“本地的”，但是距离足够远，这样会存在解相关，那么我们将最近的参考台的PRC修改为：

PRC_meansadj(t)＝PRC+(IonoModel+TropoModel)_clientpos(t)-(IonoModel+TropoMpdel)_refsta(t)

即使用户与参考台之间的空间解相关可能很大，这样的解相关也可以由电离层与对流层模型中的差别估计出来。因此，还是可以减轻剩余的星历表或SV时钟的错误。

PRC校正没有添加到没有被最近的参考台跟踪的SV的校正中；在这样的情况下，使用计算的Iono与Tropo模型。

如果B＜d

也就是，如果客户端不在本地范围内(在全球范围内)，那么我们通过对所有的校正插入Iono及Tropo模型来进行校正。

校正是在模型使用阶段的开始、中间、结束时计算的一个二次多项式。使用PRRC可以将PRC响传播到后面的PRC。PRRC经过滤波，从而只有在它们的偏移确定时，它们的值才为零。传播此偏移可以使客户端校正例如开始时漂移严重的SV时钟等等。

令Δ(I+T)(t)＝(I+T)^client(t)-(I+T)^refsta(t)。

令ΔSPV＝16s，并且ΔASPV＝400s。

令β为将来可能用于去加权的PRRC中的可调参数(缺省值＝1)。

令α为将来可能用于去加权的Iono与Tropo模型的可调参数(缺省值＝1)。

Calculation ofmodes.	DEMI-SPV，i＝0，1，2	DEMI-ASPV i＝0，1，2
			测量的<sup>1</sup>	PRC+iΔSPV＊PRRC＊β	PRC+iΔASPV＊PRRC＊β
测量的调整的<sup>2</sup>	PRC+Δ(I+T)(t<sub>ref</sub>+iΔSPV)α+iΔSPV＊PRRC＊β	PRC+Δ(I+T)(t<sub>ref</sub>+iΔASPV)α+iΔASPV＊PRRC＊β.
			计算的<sup>3</sup>	α(I+T)(t<sub>i</sub>)，t<sub>i</sub>＝t<sub>ref</sub>+iΔSPV	α(I+T)(t<sub>i</sub>)，t<sub>i</sub>＝t<sub>ref</sub>+iΔASPV

¹²当特定的SV没有可用的PRC时，在适当的时刻，(I+T)项可以用模型计算出来。

自动服务客户端在初始化时可以作为半自动的SPV处理。

过滤可以在软件的高层完成，例如，在“C”源码或Java applet中。

在C源码中，连续模式的滤波器为

${\mathrm{PRRC}}_i^f={\mathrm{PRRC}}_{i-1}^f+\mathrm{\α}({\mathrm{PRRC}}_i-{\mathrm{PRRC}}_{i-1}^f)$

其中，对某一整数k＝k_max，稳定状态值为α＝1/k，。

在初始化时，对于第一个k_max数据点， ${\mathrm{PRRC}}_0^f=0,$ 而α的值为α＝1/1、1/2、1/3......，1/k_max，通常k_max＝6。

在Java中，对于半自动SPV，使用PRRC^f。对于半自动ASPV，使用下列代码：

if $({\mathrm{PRRC}}_i^f>\mathrm{DRIFTthreshold})$ nominally DRIFTthreshold＝1m/s，

and is defined in serverCorr.h

{

    PRRC_i′＝PRRC_i ^f//propagate the drift if bigger than some

background noise

}

else

{

   PRRC_i′＝0//if there is no″real″drift，do not propagate

noise

}

图2是本发明的一个优选实施例示例，它提供并使用Internet上的GPS接收机实时校正，该优选实施例在此处统一用编号200表示。200方法从步骤202开始，其中服务器102(图1)捕获并跟踪卫星星群108、110、112等。在步骤204中，它包含计算所需的信息并计算出实时校正。它进一步将星历表与年历信息转化为有效期较短的多项式。此多项式包括卫星位置与速度(SPV)。它可以进一步包括时钟、地球自转以及本地区域的大气效应。步骤206将一组信息转化为正数固定整数并且固定LSB的多项式系数。步骤208从Internet上的网络服务器上将所需数据发送给浏览器或其他http客户端。例如，这些信息可以作为计费的一项预订提供。步骤210表示客户端104请求这样的发送信息。步骤212计算并校正用户的位置与速度。步骤214向用户输出校正过的结果。

尽管上面以优选实施例的形式对本发明进行了描述，但是本发明的适用范围并不仅限于此。在阅读本发明的上述描述之后，本发明的技术人员可以很容易对本发明进行各种修改与变更。因此，本发明附加的权利要求将对本发明的适用范围进行限定，并涵盖所有不违背本发明适用范围的修改与变更。

Claims (6)

1.一种网络辅助的导航卫星接收机系统，包括：

网络服务器，其具有第一导航卫星接收机用于根据所跟踪的卫星在导航消息中发送的星历表和年历数据计算精确的系统时间、以及所跟踪的导航卫星的当前位置和速度；

第一多项式，被构造成近似所跟踪的导航卫星的位置和速度用于整数运算；

第二多项式，被构造成近似本地卫星伪距离校正用于整数运算；

网络客户端，其具有第二导航卫星接收机用于从所述特定卫星而不是它们的导航消息中直接接收和计算伪距离，并且提供从第一和第二多项式的整数运算处理获得的位置定位；以及

互连网络，将对应于第一和第二多项式的系数数据从网络服务器传送到网络客户端；

其中，在网络客户端的用户位置和速度的解决方案能够利用易于计算的模型来获得。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述互连网络进一步提供对更新的计费多项式的预定。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述网络服务器支持对处于三种辅助等级的其中之一的网络客户端的实时校正，所述三种辅助等级为：自主式的、带有卫星位置和速度信息的半自主式的，以及带有用于加快第一定位的初始卫星位置和速度信息的半自主式的。

4.如权利要求1所述的系统，其中网络服务器提供测量的、测量调整的以及计算的电离层和对流层校正，并且在网络客户端向网络服务器请求时，将用户位置的最佳估计交给预定位引擎，并确定将要搜索的任何人造卫星；

其中，对每个人造卫星模型，利用与该模型同步的参考时间构建校正多项式。

5.一种提供并使用互联网上GPS接收机的实时校正的方法，所述包括以下步骤：

利用使用星历表与年历计算的第一导航卫星接收机来捕获并跟踪第一卫星星群，并获取本地区域的时钟、大气及其他实时校正信息；

将星历表与年历信息转换成为短期有效的多项式，该多项式将本地区域的卫星位置和速度、时钟、地球自转和大气效应包括到固定整数和固定LSB值的一组多项式系数；

利用不使用星历表和年历计算的第二导航卫星接收机来捕获并跟踪第二卫星星群，并且所述第一导航卫星接收机和第二导航卫星接收机设置于共享相同的电离层与对流层信息的所述本地区域内；

将所述多项式从连接到第一导航卫星接收机的网络服务器发送至连接到第二导航卫星接收机的网络客户端；以及

利用所述多项式中编码的信息计算所述第二导航卫星接收机的位置和速度；

其中当客户机在线时，它能够接收到以多项式系数形式的卫星位置和速度信息，并且时钟、电离层、对流层和其他校正全部被结合进第二多项式中。

6.如权利要求5所述的方法，其中计算步骤使得当客户机接收到以多项式系数形式的卫星位置和速度信息并且时钟、电离层、对流层和其他校正全部被结合进所述第二多项式中时，所述客户机不计算或需要年历或星历表。

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