CN101755223A - 无定时信息的导航定位 - Google Patents

Abstract

提供使导航接收器能够在弱卫星信号接收条件下，利用低ppm(百万分之)实时时钟(RTC)确定接收器位置，而不需要来自导航卫星或辅助系统的定时信息的系统和方法。在弱信号条件下，接收器不能解调导航数据位，但是能够与接收的卫星信号的1ms PN序列和20ms数据位边缘同步。这种情况下，接收器不能根据导航数据位确定信号传播时间，在信号传播时间中导致1ms和/或20ms整周模糊度。提供解算这些1ms和/或20ms整周模糊度，并据此校正或重构伪距测量的系统和方法。重构的伪距测量被用于精确地确定接收器位置。

Description

无定时信息的导航定位

技术领域

本发明涉及导航接收器，更具体地说，涉及不需要来自导航消息或辅助系统的定时信息而确定接收器位置的系统和方法。

背景技术

随着无线电和空间技术的发展，建立了基于几颗卫星的导航系统，并且更多的系统将在不久的将来投入使用。这种基于卫星的导航系统的一个例子是由美国国防部建立和管理的全球定位系统(GPS)。该系统使用在约11000英里的高度，以约12小时的周期绕地球运转的24颗或更多的卫星。这些卫星被放置在六个不同的轨道上，以致在任意时候，在地球表面的除极地之外的任何位置都能看到最少六颗卫星。每颗卫星传送称为原子钟的时间和位置信号。典型的GPS接收器锁定到该信号上，并提取包含在该信号中的数据。通过利用来自足够数目的卫星的信号，GPS接收器能够计算其位置、速度、高度和时间。

为了得到位置和时间，GPS接收器必须捕获并锁定到至少四个卫星信号。通常，GPS接收器具有许多并行通道，每个通道接收来自一颗看得见的GPS卫星的信号。卫星信号的捕获涉及载频和伪随机数(PRN)码相位的二维搜索。每颗卫星利用每毫秒重复一次的唯一的1023码片长的PRN码传送信号。接收器本地生成去除残余载频的复制载波，和与数字化的接收的卫星信号序列相关的复制PRN码序列。在捕获阶段内，对大多数导航卫星信号接收器来说，码相位搜索步骤是半码片(half-chip)的。从而，码相位的整个搜索范围包括间隔半码片距离的2046个候选码相位。由于卫星和接收器之间的相对运动，载频搜索范围取决于多普勒频率。额外的频率变化可由本地振荡器不稳定性产生。

相干积分和非相干积分是捕获GPS信号的两种常用积分方法。对相等的积分时间来说，相干积分提供更好的信号增益，代价是计算负荷较大。

按50位/秒用导航数据调制来自导航卫星的信号。该数据由星历、年历、时间信息、时钟和其它校正系数组成。该数据流被格式化成子帧、帧和超帧。子帧由300位数据构成，传送时间为6秒。在该子帧中，一组30位形成最后6位是奇偶校验位的字。从而，子帧由10个字组成。一帧数据由在30秒内传送的五个子帧组成。超帧由在12.5分钟内顺序传送的25帧组成。

子帧的第一个字始终相同，并被称为TLM字，TLM字的前8位是用于帧同步的前导码位。由于相关性极好，Barker序列被用作前导码位。第一个字的其它位包含遥测位，并不用于位置计算。任意帧的第二个字是HOW(切换字)字，由TOW(星期时间)、子帧ID、同步标记和奇偶校验组成，奇偶校验的后两位始终为“0”。这两个“0”帮助识别导航数据位的正确极性。第一个子帧的第3到第10个字包含时钟校正系数和卫星质量指示符。子帧2和3的第3到第10个字包含星历。这些星历被用于准确地确定GPS卫星的位置。每两个小时上传这些星历，并且这些星历的有效时间为4-6个小时。子帧4的第3到第10个字包含电离层和UTC时间校正及卫星25-32的年历。这些年历类似于星历，不过给出不太精确的卫星位置，有效时间为6天。子帧5的第3到第10个字在不同帧中仅包含不同卫星的年历。

超帧包含25个连续帧。而除了TOW和星历每两个小时的偶尔变化之外，子帧1、2和3的内容在超帧的每个帧中重复。从而，来自卫星的特定信号的星历只包含在每个子帧中重复的卫星的星历。不过，不同卫星的年历依次在指定卫星的导航数据信号的不同帧中被广播。从而，所述25帧传送子帧5中的所有24颗卫星的年历。任何附加的空余卫星年历包括在子帧4中。

年历和星历用于计算卫星在指定时间的位置。与星历相比，年历的有效期较长，为6天，但是提供不太精确的卫星位置和多普勒。于是，当要求快速定位时，不使用年历。另一方面，计算的接收器位置的精确性取决于卫星位置的精确性，而卫星位置的精确性又取决于星历的年代。与不是最新的或者陈旧的星历相比，使用最新的星历可得到更好的位置估计。于是，必须使用最新的星历来获得精确的卫星位置，从而获得精确的接收器位置。

GPS接收器可获得信号，并根据已得到的信息估计位置。在“热启动”模式下，接收器具有最新的星历，并且位置和时间已知。在称为“温启动”的另一种模式下，接收器具有不是最新的星历，但是和前面的“热启动”情况一样精确地知道初始位置和时间。在称为“冷启动”的第三种模式下，接收器不知道位置、时间或星历。正如所料，“热启动”模式导致较小的首次定位时间(TTFF)，而具有不是最新的星历的“温启动”模式可使用该星历或年历，从而由于不太精确的多普勒估计或者下载新的星历所需的时间，导致较长的TTFF。“冷启动”花费更多的时间实现首次定位，因为没有任何数据可以用来帮助信号捕获和定位。

在标准的GPS接收器操作中，在捕获卫星信号，并解调卫星信号中的导航数据之后，确定GPS定时。导航数据中的HOW字给出星期时间。由一帧的HOW字指示的时间对应于下一个子帧的开始。由于子帧持续时间为6秒，因此每隔6秒或一子帧，HOW加1。该时间代表从卫星传送特定子帧的时间。由于在卫星中使用非常精确的原子时钟，因此导航数据表示的时间也是精确的。此外，作为导航数据的一部分还传送时钟校正系数，时钟校正系数被用于进一步提高卫星得出的定时的精确性。于是，该定时通常用于确定卫星信号从卫星传播到接收器的持续时间，从而确定伪距。

不过，在一些情况下，卫星信号可能非常弱，不能够解调导航数据。一种可能的情况是当捕获信号，并使位边缘同步，但是不能确定位极性，即，该位是0还是1时。在这种情况下，不能确定HOW字和下一个子帧的起始点。结果，时间确定是不可能的。除此之外，接收器无法得到具有20PPM或更高稳定性的高度精确的实时时钟(RTC)。在这些条件下，不能使接收器时钟与辅助GPS系统中的基站时钟同步，如在美国专利6417801，6734821和公开的美国专利申请2003/0107513中所述。总的伪距也基于亚毫秒伪距，但是这些参考文献没有公开使用多普勒测量的优点。这些参考文献包括来自五颗卫星的测量，以求解接收器位置的三个坐标，接收器时钟偏差和基准卫星整周数1毫秒模糊度。另一方面，另一件美国专利7064709考虑了多普勒，但是和前面一组参考文献一样，没有考虑位同步。美国专利6215442和5812087公开了利用SPS接收器和卫星之间的相对速度来确定系统时间和伪距残差。在另一个实施例中，两个重叠的数据记录被用于确定时间。美国专利6052081公开了使用两个重叠的数据记录来确定时间。美国专利6191731公开了利用速度增强方法，根据线性化伪距确定位置。美国专利6670916利用网格点，并且在冷启动条件下可用。在该专利中公开的系统也可使用第三方数据。美国专利6191731公开了一种基于速度向量的系统。公开的美国专利申请2005/0225483使用辅助数据和采样速率的变化。

于是，需要使导航接收器能够在不需要来自导航卫星或辅助系统的定时信息的情况下，确定接收器位置，从而使导航接收器能够在弱接收信号条件下工作的系统和方法。

发明内容

这里提供使导航接收器能够在弱卫星信号接收条件下，利用低ppm(百万分之)实时时钟(RTC)确定接收器位置，而不需要来自导航卫星或辅助系统的定时信息的系统和方法。

在弱信号条件下，接收器不能把导航数据位解调为“0”或“1”，但是能够与接收的卫星信号的1ms PN序列和20ms数据位边缘同步。这种情况下，接收器不能根据导航数据位确定信号传播时间，在信号传播时间中导致1ms和/或20ms整周模糊度。

提供利用1ms序列的小数部分，解算传播时间中的这些1ms和/或20ms整周模糊度的系统和方法。解算的1ms和/或20ms整周模糊度被用于在接收器校正或重构伪距测量。重构的伪距测量被接收器用于更精确地确定接收器位置。在一个实施例中，多普勒测量和伪距测量一起被用于加速动态条件下的收敛。当位同步不稳定时，多普勒测量的使用也有助于解算1ms模糊度，从而提高系统可靠性。

结合附图，根据下面的更详细说明，本发明的实施例的上述及其它优点将是显而易见的。

附图说明

图1是按照本发明的一个实施例的GPS接收器的方框图。

图2图解说明当可获得精确的定时信息时，确定伪距的方法。

图3是图解说明按照本发明的一个实施例的导航接收器的方框图。

具体实施方式

图1图解说明按照本发明的优选实施例的接收器。中频(IF)信号输入101从常规RF前端100的模-数转换器(ADC)输出端进入接收器的基带部分。IF输入在IF混频器102和103中分别同相地和正交地与由直接数字频率合成器(DDFS)106产生的本地频率信号相乘。这种混频涉及把ADC输出101同相地乘以本地DDFS频率，这产生同相分量I 107。在并行的路径中，把相同的信号101正交地(以90°的相移)乘以DDFS频率，从而产生正交分量Q 108。DDFS 106由载波数字控制振荡器(NCO)105驱动。另外，载波NCO 105从处理器113接收相位和频率校正。由于该校正，DDFS频率和相位几乎与ADC输出101的频率和相位相同。从而，在被低通滤波以除去位于为IF频带两倍的高频分量之后，IF混频器102和103产生的I信号和Q信号位于零载频附近。

在相关器109和110中，分别使I分量107和Q分量108与由PRN发生器111产生的本地生成的PRN序列相关。PRN序列和此时其信号正由基带部分处理的卫星对应。PRN序列发生器由码NCO 112驱动。借助从处理器113到码NCO 112的校正反馈，使本地码频率等于I路径和Q路径的码率。另外，处理器113向PRN码发生器111发送信号，以设置本地生成的码的起始相位。NCO 112把正确的时钟信号提供给相关器109和110。例如，NCO 112提供时钟信号，以在信号捕获阶段中产生每个PRN码片两个样本，在跟踪阶段内产生每个码片三个样本。SYS CLK 104向NCO 105和NCO 112提供公共时钟同步信号。从而每隔一毫秒，相关器输出被发送给处理器113。处理器113最好是适合于高速算术计算的数字信号处理器(DSP)核。如下详细所述，在处理器113中进行该信号的后续处理。上面说明的接收器基带部分的其它细节包含在于2005年5月6日提出的美国专利申请号11/123861中，该专利申请的说明书在此引为参考。

在诸如GPS之类的基于卫星的导航系统中，根据接收器到四颗卫星的已知距离，计算接收器的位置。这些距离是根据信号从相应卫星到接收器的传播时间测量的。传播时间乘以光速即得到接收器和卫星之间的距离。不过，即使卫星时钟非常精确，接收器时钟并不精确，结果，计算的距离也不精确。于是，这样得到的距离被称为伪距。接收器时钟偏差一般是通过利用第四颗卫星信号进行附加测量来消除的。从而，即使接收器时钟具有偏差，也能够获得卫星和接收器之间的精确距离。

卫星同时传送卫星信号，子帧的起始点的传输时间以Z计数或星期秒数的形式存在于导航数据中。于是，为了获得该定时信息，必须能够对导航数据解码。图2中图解说明了利用Z计数确定伪距的方法。图2中图解说明的方法根据现有技术或者当可获得最新的导航数据时，确定伪距。附图标记202表示GPS导航数据的典型子帧的开始时间。附图标记204表示在接收的卫星信号和本地信号之间出现相关性最大和帧同步的时刻。当接收信号和本地信号的8位前导码帧同步位在时间上被对准时，认为出现了帧同步。帧起始点202的传输时间可以Z计数的形式存在于前一子帧中。时间204是该帧到达接收器的时间。从而，时间202和时间204之间的时间间隔代表信号从卫星到接收器的传播时间。就GPS来说，传播时间具有65ms的最小值，和84ms的最大值。通过把该时间间隔乘以光速，获得伪距。传播时间还是时间间隔208和210之和。时间间隔208代表3或4个数据位时间间隔，每一数据位为20ms。时间间隔210代表伪距中一个数据位的一部分。时间间隔210包含几个完整长度的PN序列，和位于结尾的小部分PN序列。这些序列的持续时间取决于所考虑的导航系统。就GPS来说，每个PN序列的该持续时间为1ms，就Galileo来说则为4ms。时间间隔210的最后部分包含表示成212的小部分PN序列。就GPS来说，该小部分212包含不到1023个码片。附图标记214表示了典型的码片持续时间。码片的持续时间约为1微秒，通过使每秒具有几个样本，能够获得精确的时间间隔。这种方法要求接收信号强到足以解调和解码导航数据位。

但是，在弱信号条件下，即使可以获得PN序列，数据位和帧同步，也不能解码导航数据位。在一些其它情况下，等待最多6秒可能过长。在这样的条件下，需要借助关于少量的1ms序列同步数据的部分信息来确定伪距的方法。这种情况下，必须解算伪距测量中所涉及的1ms序列的数目，或者整周1ms序列模糊度。此外，可能已知20ms数据位边缘，在这种情况下，必须解算关于该数据位的模糊度或20ms模糊度和1ms序列模糊度。从而，在弱信号捕获的情况下，能够获得数据位同步，然而难以获得帧同步。这意味着能够识别导航位的位置，但是难以确定导航位的状态，从而使帧同步不可能。在没有帧同步的情况下，不可能从卫星信号获得定时信息。这种情况下的伪距测量将在实际伪距的20毫秒之内。如上所述，从卫星到地表上的典型接收器的信号传播时间需要约65-84毫秒。从而，传播时间可能具有65-83个1ms序列和一个部分序列。通过借助为获得最大相关性而对本地PN序列要求的偏移，即，为与接收信号的PN序列相关而对本地生成的PN序列要求的偏移，观察最大PN序列相关值，能够确定所述部分序列长度。

当接收器处于跟踪模式时，可从接收器获得多普勒测量结果。接收器能够根据例如为了使本地频率跟踪接收信号的频率而对本地频率进行的调整或校正，进行多普勒测量。这些多普勒测量结果应好到足以满足定位需要。

典型的GPS接收器具有实时时钟(RTC)，所述实时时钟(RTC)能够保持粗略的接收器时钟。就20ppm晶体振荡器(XO)来说，接收器时钟每天将形成1-2秒的偏差。令t_i表示相对于GPS时间具有几秒偏差的接收器时钟时间，令τ_i表示GPS时间，令Δt_i表示相对于GPS时间的接收器时钟偏差。GPS时间τ_i和接收器时钟时间t_i之间的关系可被表示成：

τ_i＝t_i+Δt_i                   (1)

在GPS时间τ_i的卫星时钟偏差ΔT(τ_i)可被表示成：

$\mathrm{\ΔT}\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\mathrm{\ΔT}(t_i+{\mathrm{\Δt}}_i)=\mathrm{\ΔT}\left(t_i\right)+\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}\left(t_i\right)\·{\mathrm{\Δt}}_i---\left(2\right)$

其中右侧表达式是通过进行ΔT(τ_i+Δt_i)的泰勒级数展开，并保留展开式的前两项得到的。

当GPS信号很弱时，能够从GPS接收器获得伪距R，这种情况下，伪距R被偏移20ms＊c的整周数，其中c是光速。来自接收器的伪距和多普勒测量结果可分别被表示成

$R^j\left(t_i\right)+0.02\·c\·N^j={\mathrm{\ρ}}^j({\mathrm{\τ}}_i,\stackrel{\→}{X})+{\mathrm{\ΔT}}^j\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\·c+{\mathrm{\Δt}}_i\·c---\left(3\right)$

$D^j\left(t_i\right)={\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j({\mathrm{\τ}}_i,\stackrel{\→}{X},\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X})+{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}}^j\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\·c+{\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{t}}_i\·c---\left(4\right)$

其中

${\mathrm{\ρ}}^j({\mathrm{\τ}}_i,\stackrel{\→}{X})=\left|\right|{\stackrel{\→}{r}}_s^j({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\ρ}}^j/c)-\stackrel{\→}{X}\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\left|\right|---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j({\mathrm{\τ}}_i,\stackrel{\→}{X},\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X})=\frac{{\stackrel{\→}{r}}_s^j({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\ρ}}^j/c)-\stackrel{\→}{X}\left({\mathrm{\τ}}_i\right)}{\left|\right|{\stackrel{\→}{r}}_s^j({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\ρ}}^j/c)-\stackrel{\→}{X}\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\left|\right|}\·({\stackrel{\stackrel{\·}{\‾}}{r}}_s^j({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\ρ}}^j/c)-\stackrel{\stackrel{\·}{\‾}}{X}\left({\mathrm{\τ}}_i\right))---\left(16\right)$

其中上面的各项被定义成如下所示：

t_i是信号到达时的接收器时钟时间；

是在时间τ_i-ρ^j/c的卫星j的位置向量，它可根据接收器先前接收并保存在接收器中的星历数据来计算；

是在发射时间t_i-ρ^j/c时卫星j和接收器位置之间的距离；

是接收器速度；

ΔT^j(t_i)是在发射时间t_i-ρ^j/c时来自卫星的时钟偏差，它可根据接收器先前接收并保存在接收器中的导航数据中的卫星时钟参数来计算；

Δt_i是在接收时间t_i，接收器时钟的偏差；

是随着时间的距离变化率；

是随着时间的卫星时钟变化率；

N^j是在卫星j的伪距中的20ms整周模糊度；和

c是光速。

通过得到在接收器时间t_i的等式(3)和(4)的Taylor级数展开式、时间t_i时的接收器近似位置

和时间t_i时的近似速度

等式(3)和(4)可被线性化。近似位置

依据

与接收器位置

相关。根据接收器或者其它装置的最后记录位置，能够确定近似的接收器位置

等式(3)和(4)的Taylor级数展开式可被表示成：

$R^j\left(t_i\right)=({\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+\mathrm{\ΔT}\left(t_i\right)\·c)+\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+(\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c+1)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)-0.02\·c\·N^j$

(7)

$D^j\left(t_i\right)=({\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0,{\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}}_0)+\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}\left(t_i\right)\·c)+\frac{\∂{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0,{\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\ΔX}+\frac{\∂{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0,{\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}$

$+(\frac{\∂{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0,{\stackrel{\stackrel{\·}{\→}}{X}}_0)}{\∂t\·c}+\mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{T}\left(t_i\right))\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{t}}_i\·c$

(8)

其中展开式的前两项被保留，并通过分别用t_i+Δt_i和代替等式(3)和(4)中的τ_i和

获得所述展开式。

假定卫星星历和时钟参数可从其它资源获得，例如，来自服务器的星历，预测的星历，或者当接收器可解码导航数据时由接收器先前接收并保存在本地存储器中的星历。

由于接收器时钟偏差和20ms模糊度高度相关，因此借助下面的步骤能够估计未知的参数：

步骤1：初始坐标估计和相对模糊度解算

选择一颗卫星作为基准卫星，用上标′ref′表示，其伪距观察值可被写为：

$R^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)=({\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)\·c)+\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+({\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}}^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)+$

$({\mathrm{\Δt}}_i\·c-0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}})---\left(9\right)$

另一颗卫星j的伪距观察值可被写为：

$R^j\left(t_i\right)=({\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+{\mathrm{\ΔT}}^j\left(t_i\right)\·c)+\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}^j\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)+$

$({\mathrm{\Δt}}_i\·c-0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}})-0.02\·c\·{\mathrm{\ΔN}}^j---\left(10\right)$

其中

$\▿N^j=N^j-N^{\mathrm{ref}}---\left(11\right)$

这里，N^ref代表基准卫星的伪距测量中的20ms整周模糊度，N^j表示卫星j的伪距测量中的20ms整周模糊度，其中j指的是卫星索引，表示卫星j和基准卫星之间的单差整周模糊度。等式(9)和(10)中的项(Δt_i·c-0.02·c·N^ref)可用估计变量

表示，其中 ${\tilde{X}}_{N^{\mathrm{ref}}}=({\mathrm{\Δt}}_i\·c-0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}})---\left(12\right).$

根据等式(8)、(9)和(10)，能够根据最小二乘方估计，卡尔曼滤波，贝叶斯理论或其它估计算法，估计未知参数

和可在单历元或几个历元内估计未知的参数，其中每个历元包括在一个时刻获得的一组伪距和多普勒测量结果。例如，历元可以间隔一秒。对于特定卫星j，在不同的历元，估计的差分变量

相同，而卡尔曼滤波能够根据当前历元中的测量结果，预测下一个历元的变量每个历元的测量结果最好包括来自接收器正在跟踪的所有卫星的伪距和多普勒测量结果。这种情况下，每个卫星具有它自己的估计的

为了减小计算负荷，通过忽略所有二阶小变量，也能够形成单差伪距测量。这样，未知参数可被减少到仅仅为

和

例如，可以忽略近似速度和时间偏差变量，以减小计算负荷。

的估计结果将是浮点解，而这些变量的性质应是整数。对用j索引的不同卫星来说，

是不同的，而对在不同历元的相同卫星来说，

是相同的。

为了把浮点解固定为整数，需要下面的搜索程序：

${(X_{\▿N}-\▿N)}^T{Q}_{X_{\▿N}}^{-1}(X_{\▿N}-\▿N)=\min ---\left(13\right)$

其中

是包含所有

结果的

的浮点解，

是

的方差矩阵。

一旦

被固定，等式(10)就变成：

$R^j\left(t_i\right)+0.02\·c\·{\mathrm{\ΔN}}^j=({\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+{\mathrm{\ΔT}}^j\left(t_i\right)\·c)+\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}^j\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)+({\mathrm{\Δt}}_i\·c-0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}})$

(14)

其中将对R^j(t_i)应用0.02·c·ΔN^j的校正。

步骤2：N^ref确定

根据等式(8)、(9)和(14)，能够估计未知参数

N^ref的估计结果将是浮点解，称为

而这些变量的性质应是整数。

可被表示成

$X_{N^{\mathrm{ref}}}=50\·({\mathrm{\Δt}}_i-{\tilde{X}}_{N^{\mathrm{ref}}}/c)---\left(15\right)$

如果后验方差足够小，那么

可被四舍五入成整数，该整数是N^ref的整数解。为了使

收敛于整数，这需要一个或几个历元，其中每个历元包括在一个时刻获得的一组伪距和多普勒测量结果。

一旦N^ref被固定为整数，等式(9)就可被写为：

$R^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)+0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}}=({\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+{\mathrm{\ΔT}}^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)\·c)+\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+({\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{T}}^{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^{\mathrm{ref}}(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c+1)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)$

(16)

等式(13)可被重写成：

$R^j\left(t_i\right)+0.02\·c\·{\mathrm{\ΔN}}^j+0.02\·c\·N^{\mathrm{ref}}=({\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)+{\mathrm{\ΔT}}^j\left(t_i\right)\·c)+\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)}{\∂\stackrel{\→}{X}}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}+(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{T}}^j\left(t_i\right)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}^j(t_i,{\stackrel{\→}{X}}_0)/c+1)\·({\mathrm{\Δt}}_i\·c)$

其中将对所有伪距测量应用0.02·c·N^ref校正。

步骤3：接收器时钟估计

根据等式(8)、(16)和(17)，能够估计未知参数

一旦估计了接收器时钟偏差Δt_i，精确性就将好到足以把本地接收器时钟调整到正确的时间。

也应使用卡尔曼滤波，因为在卡尔曼滤波中将估计位置和速度。卡尔曼状态向量由

(在步骤2之后被消除)和

(在步骤1之后被消除)组成。

上面的方法可被用于解算1ms模糊度，如果位同步不稳定的话。这种情况下，1ms模糊度可被表示成0.001·c·N，其中N是整数。这样，系统可靠性也将增强。

图3表示按照一个实施例的导航接收器305的方框图。接收器305包括从导航卫星301接收导航信号302的信号接收器310、计算模块315、和位置确定模块320。信号接收器310接收导航信号302，并利用接收的导航信号302进行伪距测量和多普勒测量。伪距测量被输入位置确定模块320，位置确定模块320使用来自四颗或更多卫星的伪距测量计算接收器的位置。当在伪距测量中存在整周模糊度，例如，20ms的整周数时，伪距测量和多普勒测量被输入计算模块315。该整周模糊度可归因于在弱信号条件下，接收器解码数据位的不稳定性。计算模块315根据上面说明的算法解算伪距测量中的整周模糊度，并可用处理器执行的软件实现。在解算整周模糊度之后，计算模块315利用解算的整周模糊度，重构伪距测量。重构的伪距测量被输入位置确定模块320，位置确定模块320使用重构的伪距测量更精确地计算接收器的位置。计算模块315还利用接收的伪距测量和多普勒测量确定接收器时钟偏差，并使用所确定的接收器时钟偏差调整本地接收器时钟。

尽管利用目前优选的实施例说明了本发明，不过显然上述公开内容不应被解释成对本发明的限制。在阅读本公开内容之后，各种变化和修改毫无疑问对本领域的技术人员来说将变得明显。例如，尽管利用GPS系统作为例子说明了上述实施例，不过所述技术和方法可用于其它全球卫星导航系统，包括GLONASS、Galileo，诸如WASS、EGNOS和MSAS之类的次级系统，以及上述系统的混合物。因此，附加权利要求覆盖在本发明的精神和范围内的所有变化和修改。

Claims (32)

1.一种确定导航接收器的位置的方法，包括：

在接收器处解算伪距测量中的整周模糊度；

利用解算的整周模糊度重构伪距测量；和

利用重构的伪距测量确定接收器的位置。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述整周模糊度包含伪距中的多个PN序列。

3.按照权利要求1所述的方法，其中所述整周模糊度包含伪距中的多个数据位。

4.按照权利要求1所述的方法，其中所述接收器不能从导航消息提取时间数据。

5.按照权利要求1所述的方法，其中解算整周模糊度的步骤包括：

确定基准卫星和另一颗卫星之间的单差整周模糊度；

估计接收器时钟偏差和基准卫星的整周模糊度；和

根据估计的接收器时钟偏差调整接收器时钟，和根据所述单差整周模糊度和基准卫星的整周模糊度，重构伪距测量。

6.按照权利要求5所述的方法，其中基准卫星和另一颗卫星之间的单差整周模糊度是利用基准卫星和所述另一颗卫星之间的单差伪距测量，以及单向多普勒测量或其它单向测量确定的。

7.按照权利要求5所述的方法，其中接收器时钟偏差和基准卫星的整周模糊度是利用单伪距测量和多普勒测量确定的。

8.按照权利要求6所述的方法，其中估计算法包含贝叶斯估计。

9.按照权利要求7所述的方法，其中估计算法包含贝叶斯估计。

10.按照权利要求8所述的方法，其中所述贝叶斯估计技术采用最小二乘方估计方法。

11.按照权利要求8所述的方法，其中所述贝叶斯估计技术采用卡尔曼滤波估计方法。

12.按照权利要求6所述的方法，其中估计的参数包括单差模糊度、接收器位置和/或接收器速度。

13.按照权利要求7所述的方法，其中估计的参数包括接收器时钟偏差、基准卫星的整周模糊度、接收器位置和/或接收器速度。

14.按照权利要求5所述的方法，其中必须使接收器位置的第一步估计更精确。

15.按照权利要求5所述的方法，其中除了GPS时间之外，还使用第二步骤估计接收器位置。

16.按照权利要求5所述的方法，其中重构伪距测量，以使之和利用来自导航消息的精确定时信息的伪距测量一样精确。

17.一种导航接收器，包括：

卫星信号接收器，其中卫星信号接收器从卫星接收导航信号，并对接收的导航信号进行伪距测量；

与卫星信号接收器耦接的计算模块，其中计算模块解算来自卫星信号接收器的伪距测量中的整周模糊度，并利用解算的整周模糊度重构伪距测量；和

与计算模块耦接的位置确定模块，其中位置确定模块使用重构的伪距测量确定接收器的位置。

18.按照权利要求17所述的接收器，其中所述整周模糊度包含伪距中的多个PN序列。

19.按照权利要求17所述的接收器，其中所述整周模糊度包含伪距中的多个数据位。

20.按照权利要求17所述的接收器，其中接收器不能从导航消息提取时间数据。

21.按照权利要求17所述的接收器，其中计算模块通过下述步骤解算整周模糊度：

确定基准卫星和另一颗卫星之间的单差整周模糊度；

估计接收器时钟偏差和基准卫星的整周模糊度；和

根据估计的接收器时钟偏差调整接收器时钟，和根据单差整周模糊度和基准卫星的整周模糊度，重构伪距测量。

22.按照权利要求21所述的接收器，其中基准卫星和另一颗卫星之间的单差整周模糊度是利用基准卫星和所述另一颗卫星之间的单差伪距测量，以及单向多普勒测量或其它单向测量确定的。

23.按照权利要求21所述的接收器，其中接收器时钟偏差和基准卫星的整周模糊度是利用单伪距测量和多普勒测量确定的。

24.按照权利要求22所述的接收器，其中估计算法包含贝叶斯估计。

25.按照权利要求23所述的接收器，其中估计算法包含贝叶斯估计。

26.按照权利要求24所述的接收器，其中所述贝叶斯估计技术采用最小二乘方估计方法。

27.按照权利要求24所述的接收器，其中所述贝叶斯估计技术采用卡尔曼滤波估计方法。

28.按照权利要求22所述的接收器，其中估计的参数包括单差模糊度、接收器位置和/或接收器速度。

29.按照权利要求23所述的接收器，其中估计的参数包括接收器时钟偏差、基准卫星的整周模糊度、接收器位置和/或接收器速度。

30.按照权利要求21所述的接收器，其中必须使接收器位置的第一步估计更精确。

31.按照权利要求21所述的接收器，其中除了GPS时间之外，还使用第二步骤估计接收器位置。

32.按照权利要求21所述的接收器，其中重构伪距测量，以使之和利用来自导航消息的精确定时信息的伪距测量一样精确。

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