CN101467064A - 卫星定位系统的基准站网络中的网络特定因子的计算方法 - Google Patents

Abstract

用于具有作为基准站的接收单元的网络的卫星定位系统的修正计算方法包括以下步骤：将网络分区为多组基准站；计算组特定修正因子；合并组特定修正因子；以及随后导出网络特定修正参数。在所述分区步骤中，由连通边缘加权图形中的节点来表示基准站，在该连通边缘加权图形的生成中，只有当满足依赖于距离的连通条件时才生成分别连接两个节点的边缘，由此将由边缘连接的节点之间的距离输入到此边缘的加权函数中。从所述图形中导出最小生成树，随后通过针对每个树去除如下边缘来对该最小生成树进行分区以便建立多个组，所述边缘具有最高权重且在去除后导致两个所获得的局部树在每种情况下都满足节点数量的基数条件或者包括数量上大于基数条件的节点。

Description

卫星定位系统的基准站网络中的网络特定因子的计算方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的卫星定位系统的基准站网络中的网络特定变量的计算方法以及计算机程序产品。

背景技术

全球或卫星定位系统GNSS(例如，GPS、GLONASS、伽利略等)目前被用于或将被用于大量位置确定的应用中。由于物理条件，通过孤立运转的站进行接收的可实现的位置准确度受到限制。

对于不同GNSS的情况来说，移动单元(所谓的漫游者)的位置确定是通过针对卫星的数据接收和数据测量以及至少一个基准站的数据测量的数据接收来实现的。由于基准站的位置已知并且该基准站也接收同一卫星信号，所以可通过微分修正法来减少某些不准确性及误差。这种误差的示例为电离层或对流层误差或由卫星轨道引起的几何误差。根据微分方法，与没有基准站的情况下利用漫游者相比，能够获得更高准确度。这种站根据接收到的卫星信号连续向漫游者发送数据。根据设计，这种数据可以是原始数据或经处理的数据。然而，在实践中，并非针对每次测量处理重新建立基准站，而是由可由不同用户同时使用的固定安装的基准站组成的整个网络来形成一个基础设施。因此，从网络发送网络修正参数，或者根据网络中的基准站的测量来计算用于与位于漫游者的邻域中的站相对应的虚拟基准站的数据。US 5,899,957描述了一种发送用于选定区域的GPS修正距离的方法和装置。该文献还包括针对这种方法的现有技术的宽泛总述。

在Zebhauser B.E.，Euler H.-J.，Keenan C.R.，

 G.(2002)，“ANovel Approach for the Use of Information from Reference Station NetworksConforming to RTCM V2.3 and Future V3.0”，ION(US Institute ofNavigation)，National Technical Meeting 2002，San Diego中，也描述了基准站网络。

这种网络通常具有大量基准站，对于这些基准站来说，由于受限的计算能力，特别是在基于PC的系统的情况下，不能同时进行数据处理。因此，可同时进行处理的站的数量小于网络中的总站数。因此，出于数据处理目的，将网络分区，即，划分成多组或多群可联合处理基准站，这些组的组成必须满足特定标准，例如关于误差发生的特定标准。

一组或一群基准站通常相互靠近，使得地理分布成为对基准站分区的基本标准。进一步的标准是要求指配到该组的地理分布或区域具有球形形状。目前，4到8个基准站的组大小是希望的，其中这个限制将被指定为基数条件。因此，如果分区生成了大小在该指定范围内的组，则对于该组来说不必进行进一步分区。在极端情况下，当然也能够指定单一量来代替值范围，使得在假定对应可分性的情况下，在分区之后所有组都具有相同大小。

发明内容

本发明的目的是，提供一种针对卫星定位系统的改进的修正信息计算方法。

另一目的是，准许自动或动态地对基准站网络进行分区。

另一目的是，改进网络的鲁棒性，特别是针对基准站的故障。

根据本发明，通过权利要求1或从属权利要求所述的特征化特征可实现这些目的，或者进一步开发出解决方案。

本发明涉及根据权利要求1所述的用于卫星定位系统的基准站网络中的网络特定变量的计算方法和用于执行该计算方法的计算机程序产品。

由于网络中的变化，例如，诸如基准站的故障或者切断/接通，可取的是，根据本发明设计一种网络的自动、特别是动态分区。于是，能够实时监测网络架构或网络功能的变化。从而能够例如按事件可控方式或按固定速率来实现根据本发明的动态分区。而且，动态分区是以在网络中包括移动接收器单元(所谓的漫游者单元)为前提的。由于没有静态定位，所以需要可适当更新和灵活的分区。

将全体基准站分区成多组或多群可以按其一般形式表达如下。

假定：

·n个目标或基准站的集合x(x₁，…，x_n)＝：x，在d维空间中的点或位置的情况下，x_j＝(x_j1，…，x_jd)也成立

·成本函数H：

，其表达向一组指配一目标的成本，针对与其它组目标不同的目标的指配会引起比指配相似目标更高的成本。

求解：

·指配因子c∈{1，...，k}ⁿ，其中，

将 $c_j=j\↔x_j$ 指配给组j

c＝arg min_cH(c\x)

根据对目标进行分区形成组的所谓分类方法依据它们表示目标的方法而有所不同，例如，在欧几里德空间或距离矩阵中，以矢量方式选择成本函数(例如，L2标准或Kullback-Leibler散度)以及最佳化或指配算法。已知方法例如为k均值分群或主分量分析。

根据本发明，将基准站网络建模为内聚且边缘加权的图形，其中，基准站表示由边缘连接的节点。这里，将由边缘连接的各基准站之间的距离输入到指配给边缘的加权函数中，根据本发明，这能够使用具体是L2或欧几里德标准来进行。然而，原则上也可以使用其它标准或存储在目录中的已测量距离，该距离可能已被修正。而且，其它变量，如天线或接收参数、基准站的海拔、测量数、使用系统的数量(如GLONASS、GPS、伽利略等)以及地形特定参数或大气参数，也可被输入到加权函数中。地形特定参数取决于基准站之间的地形，如存在山脉或靠近海岸。这种变量例如可以根据数字地形或海拔模型导出，并且描述例如对大气效应的建模的对应影响。大气参数或者可以根据针对基准站的本地测量导出，或者按网格或区域描述基准站所在的较大环境的条件。

在对图形进行生成和分区时，应当在算法上注意并考虑两个条件。第一，必须生成内聚图形作为起始条件；这意味着该图形的全部节点彼此直接或间接(即，经由其它节点和边缘)连接，这被称为连通性条件。第二，在分区时应当生成多组特定数量的目标或基准站，这个数量必需对应于指定值范围。这个条件被称为基数条件。

为了生成内聚图形，原则上，最初通过边缘连接全部节点，但也可以考虑预选，这缩减了实际连接的数量。这种连接预选(其具有尤其与最佳化计算时间相关的实用性)的示例要求基于指定适当距离阈值，应用连通性条件并且获得内聚图形，而无需按琐碎方式在每种情况下都通过边缘将每个节点连接至所有其它节点。通常来说，为了生成连接图形，通过边缘彼此连接其距离低于所述距离阈值的所有节点。如果距离阈值满足既定网络的连通性条件，则随之产生被连接并由此将所有节点经由其它节点间接或直接地连接在一起的图形。该距离阈值的典型量级为70km。如果该距离阈值选择得太大，则要计算的边缘数太高；另一方面，如果该距离阈值选择得太小，则可能导致无法获得内聚图形并因此违反或未保持所述连通性条件。因此，距离阈值可平均为70km，但也可以高达100km或更大。后一情况例如是针对其中必须评估载波相位观测并且必须实时(即，不超过几分钟的延迟)确定它们的整体模糊度的网络的情况。在不根据载波相位观测的评估来确定这种整体模糊度的网络的情况下，并且仅评估除载波相位以外的观测(即，例如码相位观测评估)的网络的情况下，这个距离阈值还可以是这些量级的倍数，即典型为150km或300km。因此，可根据观测类型的可获性(即，可观测的)并且/或者根据这些网络的要生成的数据成果，来实现自动确定。简单链接是具有距离阈值和针对可获观测类型或要生成的数据成果的关联值的基准表。随后，根据当前可观测的或要实现的数据成果来选择距离阈值。

在现有技术中讨论了用于导出对应数据成果的合适变量和用于距离阈值的可计算标准。

因而，在Skone S.H.(2001)，“The impact of magnetic storms on GPSreceiver performance”，Journal of Geodesy 75(2001)9/10，457-468中，描述了基于电离层折射的误差影响的相关距离的导出。

在

，Bagge，Seeber，

，Hankemeier(1996)，“ReducingDistance Dependent Errors for Real-Time Precise DGPS Applications byEstablishing Reference Station Networks”，paper presented at ION 96，KansasCity，和Georgiadou Y.& Kleusberg A.(1998)，“On the effect of ionosphericdelay on geodetic relative GPS positioning”，1987，manuscripta geodetica(1988)13：1-8中，公开了确定距离相关误差并由此确定适于导出和建立距离阈值的变量以及有关载波相位模糊度的可解析性的信息。

随后对由此生成的内聚且边缘加权图形进行分区，即，将其划分成多组基准站，根据基准站的数量和选择的基数条件，将执行若干到大量的分区步骤，直到所有组满足基数条件为止。

作为生成图形之后的第一步骤，通过导出最小生成树(spanning tree)来去除图形中的边缘。多种方法都适于这个目的，特别是根据本发明的其中在每种情况下都能选择局部最佳解决方案的贪婪方法(greedyapproach)，这是考虑到转换时间特性。这些方法的示例是例如在“Introduction to Algorithms”by Thomas A.Cormen，Charles E.Leiserson，Ronald Rivest，Clifford Stein，The MIT Press，2^nd Edition，ISBN：0262032937，pages 567-573中描述的普里姆算法或克鲁斯卡尔算法。

使用最小生成树具有如下一些优点：

-用于最小生成树的分区算法较快(O(|E|log|V|)，

-可以一次实现分区，

-可容易地或者花费较小努力即可整合基数条件和连通性条件。

接着，从导出的最小生成树中去除具有最高权重的边缘，假定随后获得的局部树没有落到基数条件的下限之下。接着，根据相同原理对由此形成的局部树进行进一步分区，假定它们没有超出基数条件的上限，直到对于最终获得的所有局部树来说满足基数条件为止。满足这个条件的局部树表示要通过分区建立的多组基准站。当所有局部树满足基数条件时或者当不可能再实现进一步的可容许分区(例如，当要分区的一个或更多个剩余局部树不可能在保持基数条件的同时被分区)时，结束分区过程。这是例如当局部树包含9个节点并且基数条件要求各组具有5个节点作为下限而7个节点作为上限的强度时的情况。

为了避免要被分区的局部树的如下情况，即其节点数大于基数条件的上限但又不能对其分区，因为分区后其节点数会落入基数条件的下限之下的情况，可以根据

$\frac{n_{\max }}{2}\≥n_{\min }$

来选择基数条件，作为进一步标准，其中，n_max是基数条件的上限，而n_min是基数条件的下限。使用这个规则的结果是可对所获局部树进行分区直到它们满足基数条件为止。

分区之后，针对各组分别计算组特定修正变量，该组特定修正变量随后被再次组合，以导出网络特定修正参数。针对这种情况的一个方法是使用被指配给一个以上的组或属于一个以上的组的基准站。为了这个目的，在去除边缘时，将通过这些边缘连接的两个站中的一个视为属于所得多个组或局部树中的两个，并因此在计算修正参数时加以考虑。

附图说明

下面，参照附图中示意性示出的工作实施例，纯粹通过示例方式，对根据本发明的计算方法进行更详细的描述。具体地说，

图1示出了利用基准站网络的修正传输的示意图；

图2示出了要分区的基准站网络的实施例；

图3示出了网络的内聚边缘加权图形的生成的示意图；

图4示出了针对表示所述网络的图形导出最小生成树的示意图；

图5-6示出了对最小生成树的分区的示意图；

图7示出了要被分区成多个组的基准站网络的真实示例的示意图；

图8示出了该真实示例的基准站网络的图，该网络已经被分区成多个组；以及

图9示出了在分区时确定属于至少两个组的基准站的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据现有技术的修正值K的计算，以及从由基准站3的网络向作为接收单元的移动漫游者单元1的修正K的传输。漫游者单元1和基准站都接收来自全球定位系统的卫星2的卫星信号S。在网络中接收到的卫星信号S经局部或者成组处理并且作为组特定修正被传递至中央计算单元4。在那里实现网络特定修正K的计算，随后通过发送单元的发送器5将该网络特定修正K发送至漫游者单元1的接收器1a。接收到的网络特定修正K在此基于漫游者单元1的卫星接收器1a所接收的卫星信号S，用于增加定位准确度。不考虑在此选择的表示法和包括具有发送器4且单向通信的网络，根据本发明的计算方法还适用于双向通信。

图2示出了要被分区成多个组的、由十二个连续编号的基准站组成的网络的实施例，为清楚起见，简化了该实施例。基数条件指示2到4个基准站的组是可容许的。在这种情况下，连通性条件例如被规定为70km。

图3的示意图中实现了计算方法中的生成网络的内聚边缘加权图形的第一步骤。在本实施例中，通过以节点之间的距离作为权重的边缘来连接表示基准站的并且距离小于70km的所有节点。规定了欧几里德距离，但是也能将诸如例如大气、天线相关或地理影响的其它参数输入到加权函数中，但为清楚起见在此未示出。因此，第一步骤的结果是仅考虑距离作为加权函数的内聚边缘加权图形。

图4示意性示出了导出表示网络的图形的最小生成树。在本实施例中，从节点1开始，利用根据现有技术已知的普里姆算法导出最小生成树。为了执行该过程，在每种情况中，环绕已经属于所得生成树的节点绘制外界，并且从与这个外界相交的所有边缘中，选择具有最低权重的边缘，以延伸该生成树。将连接至此边缘的节点添加至该生成树。在本实施例中，三个边缘交叉成围绕节点1的虚构环(其中，到节点4的具有60.9的边缘具有最低权重)，以便将具有对应边缘的节点4添加至该生成树。环绕节点1和4绘制的线现在与原始三个边缘中的两个交叉并且节点4与3之间的边缘具有权重56。因为这是具有最低权重的边缘，所以将其与节点3一起添加至生成树。由于点1和3经由节点4连接，所以可以去除节点1与3之间的直接边缘。根据这种渐进方法，导出最小生成树，但根据本发明还可以使用其它方法，诸如其它贪婪方法，例如克鲁斯卡尔算法。

图5基于示意图说明了最小生成树的分区。在该图形中，标识具有最高权重的边缘，在本实施例中，标识了节点7与11之间的边缘，其具有63.2的权重。由于根据边缘的距离得出的分别具有5个和7个节点的两个局部树仍不能满足基数条件，所以要进一步细分，这在图6中例示出。

在左侧局部树中，由于为了使得随后形成的图形不违反基数条件或者不能被进一步分区，不能去除节点1与4之间的具有权重60.9的较重边缘、节点2与3之间的具有权重60.2的较重边缘以及最后节点12与7之间的具有权重58.2的较重边缘，所以去除节点3与12之间的具有权重56.4的边缘。这意味着仅当一边缘是在去除其之后，能产生满足基数条件或者可被进一步分区的局部树的最高权重边缘时，容许去除该边缘。根据去除具有权重56.4的边缘所得出两个组分别具有4个和3个节点，使得对于这两个部分来说，满足基数条件，从而不需要进一步分区。

对于右侧局部树来说，具有权重61.1的边缘同样不是最高权重边缘。然而，它是在去除后不会违反基数条件或者去除后留下的图形能够被进一步分区的最高权重边缘。在这种情况下，去除该边缘导致分别具有2个和3个节点的两个组，在两种情况中都满足基数条件。通过表示为图形并随后进行算法分区，可以自动对基准站网络进行分区。具体来说，可通过重复执行计算步骤或其分区步骤并且随后计算组特定修正及网络特定修正，来实现网络对实际操作条件的连续适应或者反复适应，乃至动态适应。

图7示出了要被划分成多个组的并且具有大量基准站的网络的真实示例，该网络过覆盖德国巴伐利亚州的联邦国土并且按分区状态在图8中示出。忽略基准站的海拔分布，并且在每种情况中示出的到每组中的中心站的连接线仅用于例示作用。

作为实施例，图9示出了在分区时属于至少两个组的基准站的确定。为了这个目的，在对最小生成树进行分区期间，在每一个分区步骤中，把要去除的一个边缘的两个节点中的一个指配给两个所得局部树，以便在局部树之间并因此也在组之间获得链接，该链接又允许对组特定修正进行组合，以便计算网络特定修正。在图9中的左侧局部图中，去除节点7与11之间的具有权重63.2的边缘。两个节点中的节点7被视为属于两个组，如右侧局部图中所示，并且对其进行计算方面的处理。包含这种属于多个局部树或多个组的“冗余”节点可以发生在分区处理期间内，例如，通过基数条件的适应来进行，或者仅在完成分区之后，例如仅在分区之后通过将公共节点也指配给它们的相应第二组来进行。在后一情况中，分区算法不需要考虑任何多重从属关系。

虽然选择了系统特定实施例，但原则上根据本发明的方法也可应用于任何卫星定位系统，如GPS、伽利略或者GLONASS。

Claims (10)

1、一种用于卫星定位系统的修正计算方法，所述卫星定位系统包括作为基准站的接收单元的网络，所述修正计算方法包括以下步骤：

分区步骤，其将所述网络分区成多组基准站，

计算步骤，其计算组特定修正变量，

组合步骤，其组合所述组特定修正变量，

导出步骤，其导出网络特定修正参数，

在所述分区步骤期间：

通过内聚边缘加权图形中的节点来表示所述基准站，在所述内聚边缘加权图形的生成过程中，将由边缘连接的节点之间的距离输入到加权函数中，

具体地根据普里姆算法或克鲁斯卡尔算法，从所述图形导出最小生成树，

通过在每种情况下从所述最小生成树中去除下述边缘来对所述最小生成树进行分区，以便建立多个组，所述边缘具有最高权重，并且去除该边缘导致所得局部树在每种情况下或者两个所得局部树都满足节点数的基数条件，具体是具有下限n_min和上限n_max的基数条件，或者具有大于所述基数条件的节点数。

2、根据权利要求1所述的修正计算方法，其特征在于，只有当两个节点之间的距离，特别是其欧几里德距离不超过指定距离阈值时，才生成连接所述两个节点的边缘。

3、根据权利要求2所述的修正计算方法，其特征在于，在所述图形中生成不超过所述距离阈值的所有边缘。

4、根据权利要求2和3中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，所述距离阈值被自动确定为观测数据的可获性和/或要生成的网络数据成果的可获性的函数。

5、根据前述权利要求中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，将如下参数输入到所述加权函数中：

所述基准站的参数，

从所述基准站的观测数据导出的参数，

地形特定参数，以及/或

大气参数。

6、根据前述权利要求中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，作为基数条件，可允许节点数处于4到8的范围中。

7、根据前述权利要求中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，选择所述基数条件，使得

$\frac{n_{\max }}{2}\≥n_{\min }.$

8、根据前述权利要求中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，在所述分区步骤期间，将至少一个基准站指配给至少两个组。

9、根据前述权利要求中的任一项所述的修正计算方法，其特征在于，所述网络的所述接收单元中的至少一部分接收单元是移动接收单元。

10、一种作为数据介质上的记录或者作为具有代码序列的电磁载波的计算机程序产品，该计算机程序产品用于执行根据权利要求1到9中的任一项所述的修正计算方法。

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