CN102713672A - 多星群全球导航卫星系统增强和援助 - Google Patents

Abstract

一种用于多星群全球导航卫星系统增强和援助的系统，其可包括多个参考站。每个参考站适于从多个不同的全球导航卫星系统接收导航数据并适于为每个不同的全球导航卫星系统监视完整性和性能数据。操作中心可以接收从多个参考站的每个传输的完整性和性能数据。通信网络可以将来自操作中心的消息传输给用户的导航和通信设备用于导航和通信设备的增强和援助。

Description

多星群全球导航卫星系统增强和援助

技术领域

本公开涉及全球定位与导航，以及全球定位或导航卫星系统，并且更具体地涉及多星群全球导航卫星系统增强和援助。

背景技术

为确定某一事物的地理位置和导航，美国的全球定位系统（GPS）的使用已经变得无所不在。GPS是由美国政府建立和发射的卫星群，其绕地球轨道运行以向用户的GPS接收器或导航装置提供导航和定位信号。能够接收和使用GPS信号的数以百万计的GPS接收器或导航装置正由公众和政府机构使用。尽管GPS被广泛使用，但仍然有一些缺点。一个缺点是由于结构的阻挡导致在某些位置的低可用性或低信号接收。例如，在所谓的城市的“都市峡谷”中的高层建筑会阻塞GPS信号，结果可能没有足够数量的GPS卫星可用来利用GPS接收器或导航装置执行导航和定时。其他国家也已经发射并建立了用于全球定位和导航的卫星群或一般意义上的全球导航卫星系统（GNSS）。这些国外拥有并操纵的GNSS的例子可以包括，但未必限于俄罗斯航天部队为俄罗斯政府操纵的全球导航卫星系统（Glonass）、欧盟操纵的Galileo以及中国政府操纵的Compass。这些国外的GNSS卫星可以以四倍于GPS卫星可用的导航卫星的数量显著增加，从而极大改善全球定位和导航的可用性与性能。然而，多星群GNSS的使用可能存在其他问题，例如，来自其他、国外或次要（secondary）GNSS的定位和导航数据是否可靠？这种系统是否易受欺骗，其中一个系统可以伪装成另一个系统或者数据可能是不准确或是错误的？其他问题可能是首次定位时间或和足够数量的卫星在合理的时间段内建立通信以确定位置和对堵塞或其他干扰的灵敏度。

发明内容

根据一个实施例，用于多星群GNSS增强和援助的系统可以包括多个参考站。每个参考站可以适于从多个不同全球导航卫星系统接收导航数据以及为每个不同全球导航卫星系统监视完整性和性能数据。操作中心可以接收从多个参考站中的每个传输的完整性和性能数据。该系统还可以包括通信网络，其用于将来自操作中心的消息传输到用户的导航和通信设备以用于导航和通信设备的增强和援助。

根据另一个实施例，用于多星群增强和援助的用户导航和通信设备可以包括至少一个接收器，其用于从多个不同全球导航卫星系统中的第一全球导航卫星系统接收导航信息，并用于从多个不同全球导航卫星系统中的至少一个其他全球导航卫星系统接收导航信息。用户导航和通信设备还可以包括从操作中心接收消息的收发器。该消息可以包括供导航和通信设备使用的增强和援助信息，从而利用来自至少一个其他全球导航卫星系统的导航数据向用户提供全球方位和导航信息。

根据另一个实施例，用于多星群GNSS增强和援助的方法可以包括由多个参考站监视来自全球导航卫星系统的完整性和性能数据。该方法还可以包括向操作中心传输来自多个参考站的每个的完整性和性能数据。来自每个参考站的完整性和性能数据由操作中心整合和分析。基于对整合的完整性和性能数据的分析生成消息。该消息可以包括用户导航和通信设备可使用的增强和援助信息以利用导航和通信设备从全球导航卫星系统接收的导航数据而为用户提供全球方位和导航信息。

根据进一步的实施例，用于多星群GNSS增强和援助的方法可以包括从多个不同全球卫星导航系统中的第一全球导航卫星系统接收导航信息。该方法还可以包括从多个不同全球导航卫星系统中的至少一个其他全球导航卫星系统接收导航信息。该方法可以进一步包括从操作中心接收消息。该消息可以包括供导航和通信设备使用的增强和援助信息以利用从至少一个其他全球导航卫星系统接收的导航数据为用户提供全球方位和导航信息。从操作中心接收的增强和援助信息可以从操作中心自多个参考站中的每个收集的完整性和性能数据中获得。每个参考站可以适于从多个不同全球导航卫星系统接收导航数据并适于为每个不同全球导航卫星系统监视完整性和性能数据。

在本领域的普通技术人员浏览本公开的下列非限制性细节描述连同附图，权利要求单独限定的本公开的其他方面和特征将是显而易见的。

附图说明

随后的具体实施方式部分通过本公开实施例的非限制性示例的方式参考标注的多附附图进一步描述了本公开，附图中相似的参考数字代表附图的所有视图中的相似部件。

图1是根据本公开的一个实施例的用于多星群GNSS增强和援助的系统示例的示意框图。

图2示根据本公开的一个实施例的用于多星群GNSS增强和援助的方法示例的流程图。

图3是根据本公开的一个实施例可用在用于多星群GNSS增强和援助的系统中的参考站示例的示意框图。

图4是根据本公开的一个实施例的用于监视GNSS完整性的方法示例的流程图。

图5是根据本公开的一个实施例的用于参考站自勘测和自校准的方法示例的流程图。

图6是根据本公开的一个实施例可用在用于多星群GNSS增强和援助的系统中的操作中心示例的示意框图。

图7是根据本公开的一个实施例可与用于多星群GNSS增强和援助的系统一起使用的用户导航和通信设备示例的示意框图。

具体实施方式

以下对实施例的详细描述参考了图解说明本公开特定实施例的附图。其他实施例具有不偏离本公开范围的不同结构和操作。

以下描述的本公开的方面参考根据本公开实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图。应当理解流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中块的组合可以由计算机程序指令实施。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机的处理器、专用计算机的处理器或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机械装置，从而通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实施流程图和/或框图或块中规定的功能/行为的装置。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读存储器中，其可以指引计算机、或硬件和软件组件的组合、或其他可编程数据处理装置以特定的方式起作用，从而存储在计算机可读存储器中的指令产生一种产品，其包括实施流程图和/或框图或块中规定功能/行为的指令装置。

计算机程序指令还可以被加载到计算机或其他可编程数据处理装置上，从而使在计算机上或其他可编程装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实施的进程，从而在计算机上或其他可编程装置上执行的指令提供实施流程图和/或框图或块中规定的功能/行为的步骤。

本公开描述了示例性系统、终端用户导航和通信装置或设备和用于提供多星群GNSS增强和援助（augmentation and assistance）服务的方法。增强和援助服务可以包括例如Glonass、Galileo和Compass的“国外拥有的”、其他GNSS系统或次要GNSS系统的完整性信息。该增强和援助服务还可以提供捕获和追踪辅助以及差分校正。追踪辅助可以包括提供时间辅助或信息、频率辅助或数据、导航数据辅助、测距（ranging）增加或类似数据或信息。差分校正可以包括电离层校正、对流层校正、卫星时钟校正、年历校正或类似数据或信息。本公开描述的实施例使得能够以对导航数据的可靠性或完整性的一定信赖使用国外的、其他或次要GNSS，而且能够极大地增强政府和商业/消费者市场基于卫星的导航能力的可用性、完整性和性能。

正如本文所使用的，全球定位系统或GPS可以指代美国拥有和操纵的GNSS或全球定位卫星星群。主要的GNSS可以指代例如由用户的导航和通信设备主要使用或通常使用的GNSS。其他GNSS可以指代除美国以外的其他国家或机构拥有和/或操纵的GNSS或者指代除GPSGNSS以外的GNSS。次要GNSS可以指代不被例如用户导航和通信设备主要使用或通常使用的GNSS。一个或更多全球导航卫星系统或一个或多个GNSS可以指代上述的任意一个。

图1是根据本公开实施例的用于多星群GNSS增强和援助的系统100的示例的示意框图。系统100可以包括多个参考站102。每个参考站102可以位于地球上预定的不同地理位置。此预定的地理位置是粗糙的地理位置。正如本文进一步详细描述的，每个参考站102还具有或存储参考站地理位置的精确知识或数据。精确的地理位置可以是如本文所述的自勘测或自校准的结果。

每个参考站102可能适用于从多个不同的全球导航卫星系统或多个GNSS 104、106以及108或GNSS卫星的多星群接收导航数据。每个参考站102还可以为每个不同的GNSS 104、106以及108监视完整性和性能数据，以及有助于提供本文所述的增强和援助服务的其他数据、信息或参数。如之前所述，每个GNSS 104、106以及108可以是不同国家或机构拥有和操纵的卫星群，其绕地球轨道运行以向GNSS接收器、导航装置、终端用户组合导航和通信（navcom）设备等类似装置提供全球定位和导航数据或信息。正如本文所采用的，用户导航和通信设备可以指代如GNSS接收器、导航装置、终端用户设备或能够从GNSS接收导航和定位数据或信息的类似装置中的任意一个。

参考图3，将进一步详细描述参考站的例子。简短而言，参考站102可以包括接收器110或用于接收包括导航和全球定位数据或信息的GPS和其他GNSS信号的接收器。正如本文所采用的，导航数据或信息还可以表示或包括全球方位数据或信息。接收器110还可以接收用于验证导航数据的完整性或可靠性以及评估GNSS性能的其他信息或数据。

参考站102还可以包括用于发送和接收信息的通信收发器112，所述信息例如为完整性和性能信息。通信收发器112可以通过网络120发送完整性和性能数据到操作中心118。网络120可以是使用合适的安全措施以防止对正发送的数据的干扰或篡改的安全网络，安全措施例如加密或其他技术。网络120可以是基于空间使用通信卫星（为简化起见在图1中未示出）、蜂窝通信网络、互联网或私有的基于网页的网络或其他通信网络，或这些网络的任意组合。

参考站102还可以包括用于控制参考站102的总体操作的处理器114。正如本文更为详细描述的，处理器114还可以由参考站102用于执行完整性检查或验证以及用于为每个不同的GNSS 104、106以及108监视完整性和性能。

参考站102还可以包括用于存储数据库的存储器116，所述数据库包括与每个GNSS 104、106以及108的完整性和性能有关的数据或信息以及其他参数和信息。

正如之前所谈论的，系统100还可以包括操作中心118以通过网络120接收自多个参考站102中的每个传输的完整性和性能数据。正如本文更为详细描述的，操作中心118适用于整合和分析来自每个参考站102的完整性和性能数据，并且适用于基于对整合的完整性和性能数据的分析生成并传输一个或更多消息到用户的导航和通信设备122。所述消息可以包括导航和通信设备122可使用的增强和援助信息以利用由导航和通信设备122从全球导航卫星系统104、106以及108中的至少一个（例如从其他GNSS或次要的GNSS之一）接收的导航数据向用户提供全球方位和导航信息。系统100可以包括多个操作中心118。类似于参考站102，操作中心118可以在地理上分散并且可以位于相对参考站102的分组所选择的地理位置以提供更有效和更可靠的操作以及系统100的不同组件之间的通信。

参考图5，将进一步详细描述操作中心118的例子。简短地，在图1中示出的示例性操作中心118可以包括接收器124或用于自GPS、主要卫星和其他卫星或次要GNSS卫星接收包括导航数据和其他信息的信号的接收器。操作中心118还可以包括用于通过网络120从参考站102接收完整性和性能数据的收发器126。收发器126或其它收发器可以通过网络120或通过其它安全网络向用户导航和通信设备122传输包括增强和援助信息的消息。

操作中心118还可以包括处理器128以控制操作中心118的总体操作。处理器128还可以整合和分析完整性和性能数据，并且基于对整合的完整性和性能数据的分析为用户导航和通信设备122生成消息。

操作中心118还可以包括存储器130，其用于存储数据库，数据库包括与参考站102相关联的数据，与所有GPS、主要GNSS和其他GNSS或次要GNSS卫星相关联的数据以及与完整性和性能数据的分析有关的数据。

参考图6，进一步详细描述用户设备122的例子。简短地，用户设备122可以包括接收器132或从GPS或主要GNSS卫星以及其他或次要GNSS卫星接收导航数据和其他信息的接收器。用户设备122还可以包括通信收发器或用于从操作中心118接收消息以及进行其他数据、语音和/或视频通信的收发器134。

用户设备122可以额外包括用于用户设备136的总体控制和操作的处理器136。处理器136还可适于完成本文所述的多级完整性验证、测试或检查以及与向用户提供精确全球方位和导航信息有关的其他操作。

用户设备122还可以包括存储器138，用于为用户设备122的适当操作存储数据和数据库以及向用户提供用于高度精确的全球定位和导航的增强和援助。

图2是根据本公开一个实施例的用于多星群GNSS增强和援助的示例方法200的流程图。方法200可在之前描述的系统100和系统100的系统组件中实现并由其执行。在图2中的操作或功能可以由系统（例如系统100）的多个不同组件执行。因此，图2中的流程图被分成多个列202，每列用可执行特定列中的操作或功能的组件名称来标注。

在块204，导航信号可以由GNSS卫星206在太空中广播。GNSS卫星可以是美国或GPS或主要卫星或另一或次要GNSS卫星。

在块208，导航信号可以由参考站210接收。以下描述的由参考站210执行的操作或功能将适用于系统中多个参考站中的每个参考站。在块212，参考站210可以在预定的时间段内从多个GNSS卫星收集导航数据。在块214，可以由参考站210确定或生成本地差分校正。可以利用在块212收集的导航数据并利用参考站210的已知地理位置以及参考站静止的事实生成本地差分校正。当使用卫星信号提供的信息时，如果静止的参考站210以及已知刚好为给定矢量的参考站210的位置超过容限（tolerance）的预定义阈值，则可以认为如来自不经常使用或操作的或由另一机构拥有的另一或次要GNSS的GNSS卫星信号的完整性是可疑的。

在块216，参考站210可以执行本地完整性验证、测试或检查以验证从GNSS 206接收的导航信号或数据的真实性或可靠性。执行完整性验证的方法示例将参考图4更为详细地描述。在块218，完整性和性能数据可以发送到操作中心220。可以通过与之前描述的通信网络类似的通信网络224发送数据或消息222。可以利用适当的安全措施如加密发送数据或消息222，从而提供安全网络或通过其他方法防止对数据或消息222的篡改或干扰以确保网络安全。

在块226，操作中心220可以自多个参考站210中的每个参考站收集数据。在块228，操作中心可以合并收集的完整性信息并且可以利用来自所有参考站210的整合数据执行进一步的全球完整性验证或检查。全球完整性验证或监视的例子可以是使用针对以下事实建模的方程式系统：参考站位置已知为给定值并且参考站速度是零。来自所有源或参考站210的所有测量结果可用于通过使用最小二乘奇偶空间执行“奇偶”校验以检测和隔离反常的测量结果。执行任何完整性问题的全球检测的优势是实现所有信息可用的最佳解决方案。

在块230，操作中心220可以生成差分全球校正。生成的差分全球校正可以类似于在关于参考站210的块214中所描述的差分校正，而且可以包含整合来自参考站210的本地差分校正。

在块232，操作中心220可以基于块228中的全球完整性验证、块230中的差分全球校正以及操作中心220中的其他分析而生成一个或更多消息，其包括用于终端用户导航和通信设备的增强和援助信息。增强和援助信息可以包括完整性信息、辅助信息以及差分校正信息。完整性信息可以包括完整性指示器或针对每个GNSS的指示、关于某些GNSS的通知或警告或其他关于完整性的信息或数据。辅助信息可以包括涉及访问不同GNSS、优选使用哪个GNSS、首次固定（fix）的时间等信息。差分校正可以包括为适当使用自特定GNSS接收的导航数据对用户导航和通信设备进行设置或调整的信息。

在块234，单个消息236或多个消息可以通过通信网络239广播到用户导航和通信设备238。通信网络239可以与通信网络224相同或是不同的通信网络。可以采用合适的安全措施来提供安全网络。例如，消息236可以被加密或者可以运用其他安全技术。

在块240，单个消息236或多个消息可以由用户设备238接收。在块242，用户设备238还可以接收包括导航数据的GPS信号或来自用户设备238主要使用或经常使用的主要GNSS的信号。在块244，用户设备238可以从另一或次要GNSS 206接收GNSS信号。来自其他或次要GNSS 206的GNSS信号可以在预定条件下由用户设备238使用。这种预定条件的例子可以包括：为改善来自一个GNSS的导航数据受损并要求使用来自至少一个其他GNSS的导航数据进行都市峡谷中的导航和方位确定的环境中的性能，或者为改善增强和援助可能有好处的其他情形或环境中的性能。

在块246，可以利用从操作中心220接收的消息236中的完整性信息筛选（screen）导航数据。在块248，包括在单个消息236或多个消息中的任何辅助信息可应用于辅助用户设备238向用户提供全球位置和导航信息。

在块250，可以基于来自操作中心220的包含在单个消息236或多个消息中的信息将任何差分校正应用于导航数据。在块252，可以确定导航解决方案或全球方位。计算导航解决方案可以包含利用测量法，例如利用已知技术对来自几个不同GNSS系统的伪距（pseudo range）和载波相位的测量法。

图3是根据本公开一个实施例的参考站300的示例的示意框图，其可用在用于多星群GNSS增强和援助的系统中。参考站300可以用作图1中的参考站102。图2中参考站210的操作可以在参考站300中实现并由其执行。参考站300可以包括一个或更多接收器302以从多个不同的GNSS中的每个接收导航数据。例如，参考站300可以包括GPS接收器或主要接收器，其用于从美国GPS卫星群或主要GNSS接收导航和全球方位数据。参考站300还可以包括一个或更多其他GNSS或次要GNSS接收器，其用于从其他GNSS或次要GNSS，例如俄罗斯Glonass、欧洲Galileo或中国Compass GNSS接收导航和全球方位信号。

参考站300还可以包括处理器304，用于处理由一个或更多接收器302从多个不同GNSS接收的导航数据。处理器304可以包括模块306和模块308，模块306用于处理GPS信号或主要GNSS信号以及从GPS或主要卫星接收的导航数据，模块308用于处理来自其他或次要GNSS卫星的信号和导航数据。

处理器304可以适用于或编程为监视每个不同的GNSS的完整性和性能数据以及为每个不同的GNSS生成差分校正。如本文所述可用于提供增强和援助服务的完整性数据、性能数据、差分校正数据以及其他信息可以存储在存储器310中。存储器310可以保持和存储包含终端用户设备用于增强和援助的不同数据和信息的数据库。

参考站300还可以包括通信收发器312，其向操作中心传输完整性和性能数据、差分校正数据以及如本文所述可用于提供增强和援助服务的其他信息，操作中心例如图1中的操作中心118和图2中的操作中心220。处理器304可以适用于加密完整性和性能数据、差分校正数据以及用于基于如图1中的网络120等通信网络的安全传输的其他信息。

参考站300可以进一步适于选择性地在多种模式中的一种模式下操作。例如，模式可以包括但未必限于自勘测和自校准模式、参考站/操作中心（RS/OC）合作勘测和校准模式以及普通操作模式。处理器304可以包括模块314-318，其在处理器304上可操作用于执行可能被选择的不同操作模式中的每种操作模式。例如，处理器304上的模块314可操作用于普通操作模式。处理器304上的模块316可操作用于RS/OC合作勘测/校准模式，而处理器304上的模块318可操作用于自勘测/自校准模式。普通模式下操作的参考站300适于执行每个GNSS的连续完整性监视或当前用于增强和援助的特定其他GNSS或次要GNSS的连续监视。将参考图4更详细地描述监视完整性的方法示例，该方法可用于参考站300以进行连续完整性监视。

在由模块316代表的RS/OC合作勘测和校准模式下操作的参考站300可以适于提供和传输每个次要GNSS或当前用于增强和援助的GNSS的伪距和载波相位测量数据。正如参考图6更加详细地描述的，操作中心可以使用来自之前被勘测的另一参考站的伪距和载波相位测量数据以及来自在RS/OC合作勘测和校准模式下操作的当前参考站的伪距和载波相位测量数据来确定在此模式下操作的当前参考站的精确位置。

在由模块318代表的自勘测和自校准模式下操作的参考站300可以执行接收器自主的完整性监视（RAIM）操作或算法。在自勘测和自校准模式中，参考站300也可以执行导航数据和来自其他或次要GNSS的任意其他信息的完整性的验证，并且可以确定参考站300的站点位置。用于自勘测和自校准的方法的示例将参考图5更为详细地描述。

图4是根据本公开一个实施例用于监视GNSS完整性的方法400的示例的流程图。方法400可以在模块314中实现和/或由模块314执行，其中模块314用于图3中参考站300的正常操作模式。在块402，可以自另一或次要GNSS接收导航数据。在块404，可以根据来自GPS卫星的GPS信号或者来自主要卫星的信号确定时钟估计（若来自GPS卫星，则为GPS时钟估计），其中主要卫星是可用的或者参考站可以从上述主要卫星接收GPS或主要信号。

在块406，可以利用从次要GNSS接收的导航数据、时钟估计（或者在来自GPS卫星的情况下，为GPS时钟估计）以及参考站的已知精确位置来预测GNSS卫星的伪距或在参考站范围内或当前被用于增强和援助的卫星的伪距。

在块408，可以测量GNSS可用卫星的伪距或当前在参考站视野内并被用于提供增强和援助服务的卫星或GNSS卫星的伪距。

在块410，可以将预测的伪距和测量的伪距进行比较以确定预测的伪距和测量的伪距是否存在任何差值。在块412，可以确定预测的伪距和测量的伪距之间的差值是否超出预定的阈值。如果该差值超出预定的阈值，则方法400可以前进至块414。在块414，可以生成和/或呈现指示以指示完整性验证、测试或检查失败并以信号告知完整性验证失败。来自其他GNSS或次要GNSS的导航数据在用于提供增强和援助服务时可能是不可靠的。

如果在块412中预测的和测量的伪距之间的差值未超出预定的值，则方法400可以前进到块416。在块416，可以生成和/或呈现指示完整性验证、测试或检查通过并且来自其他或次要GNSS的导航数据在用于提供增强和援助服务时可靠的指示。

图5是根据本公开一个实施例的用于参考站自勘测和自校准的方法500的示例的流程图。方法500可以在模块318和图3中实现和/或由模块318和图3执行。在块502中，可以从GPS或在参考站视野内或可用于参考站的主要卫星接收GPS或主要信号。在块504，可以从参考站视野内或可用于参考站的其他GNSS或次要GNSS卫星接收次要GNSS信号。

在块506，可以利用GPS和GNSS接收的信号或主要GNSS和次要GNSS接收的信号执行接收器自主的完整性监视（RAIM）进程或算法。当参考站可接收P/Y码和/或M码GPS信号时，可以仅利用GPS导航数据或主要导航数据执行自勘测和自校准模式。

RAIM使用冗余的GPS或GNSS伪距测量结果检测故障。也就是说，当相比需要的卫星数量更多的卫星可用于产生位置固定时，额外的伪距应当全部与计算的方位一致。明显不同于期望值（即异常值）的伪距可能指示关联的卫星的故障或其他信号完整性问题（例如，电离层分散等）。传统的RAIM仅使用故障检测（FD），然而较新的GPS接收器合并故障检测和排除（FDE），这使得GPS接收器能够在存在GPS故障的情况下继续操作。使用的测试统计是伪距测量余差（期望测量值和观测的测量值之间的差）和冗余量的函数。该测试统计将与阈值比较，其基于错误报警概率（Pfa）以及漏检概率（Pmd）的要求来确定。

在块508，可以基于已知的参考站的地理位置以及参考站不动或静止的事实来确认导航数据的完整性。

在块510，可以利用GPS导航数据或在预定时间段收集的主要导航数据并利用基于GPS的定位技术来确定参考站的地理位置。基于GPS的定位技术是已知的，例如可以使用简单的最小二乘法，其通过在一段时间内接收的测量值确定参考站位置、接收器时钟偏差以及时钟速率误差。

在块512，可以确定正接收的导航信号的期望精度。例如，可以利用与接收的导航信号相关的误差协方差矩阵确定期望精度。协方差矩阵的特征在于误差的“方差（variance）”和“相关性”。矩阵的对角线元素是矢量中每个误差的方差。方差越大，误差改变的可能性越大，从而意味着更大的误差。由于随着时间的推移，更多的测量值被接收，对误差的了解变得更好，从而方差会变得更小。自勘测和自校准模式下正接收的导航信号的期望精度和参考站的位置可能持续更新，以在误差的方差变得足够小时允许切换到正常操作模式。

图6是根据本公开的一个实施例的操作中心600的示例的示意框图，操作中心600可用在用于多星群GNSS增强和援助的系统中。操作中心600可以用作图1中的操作中心118，并且图2中的操作中心220的操作或功能可以在操作中心600中实现或者可以由操作中心600执行。操作中心600可以包括一个接收器602或一个以上的接收器以用于接收GNSS信号，GNSS信号可以包括GPS信号或来自主要GNSS的信号以及来自其他或次要GNSS的信号。操作中心600还可以包括一个通信收发器604或一个以上收发器以用于发送和接收来自如本文所述的参考站和用户导航和通信设备的信号和/或消息。

操作中心600还可以包括处理器606。处理器606可以控制操作中心600的总体功能和操作。处理器606可以包括处理GPS信号和数据或来自主要GNSS的信号和数据的模块608。处理器606还可以包括一个模块610或一个以上模块以处理其他GNSS或次要GNSS信号和数据。

处理器606还可以包括一个模块612或一个以上装置以合并来自多个参考站的完整性信息。可以由操作中心执行对完整性信息的分析以确定有助于提供增强和援助服务的任何模式、趋势或其他统计信息。

处理器606还可以包括援助处在每个参考站的RS/OC合并勘测和校准中的参考站的模块614。连同这些，操作中心600可以从新部署的参考站接收导航数据。操作中心600可以利用差分GPS技术或类似技术组合来自新部署的参考站的导航数据和自之前勘测和校准的参考站测量的导航数据。差分GPS技术的示例可以包括利用双差分伪距测量和双差分载波相位测量校准新部署的参考站。

操作中心600还可以包括存储器616。存储器616可以存储一个或更多数据库。一个数据库618可以存储包括但未必限于每个参考站的标识的数据，确定每个参考站的位置、每个参考站的校准状态和精度、每个参考站的差分校正参数。另一个数据库620可以存储与GPS或主要的卫星星群关联的数据或信息。额外数据库622-624可以存储与其他或次要GNSS卫星群关联的数据。

图7是根据本公开的一个实施例可以与用于多星群GNSS增强和援助的系统一起使用的用户导航和通信设备700或用户havcom装置示例的示意框图。用户导航和通信设备700可以是可移动的，并且可以是GPS接收器或主要GNSS接收器、次要GNSS接收器和如本文所述用于与操作中心通信并与其他通信装置或设备进行数据、语音和视频通信的通信装置的组合。用户导航和通信设备700可以用于图1中与系统100一起使用的可移动用户设备122。图2中关于用户设备238描述的的功能和操作可以在用户导航和通信设备700中实现或由用户导航和通信设备700执行。

导航和通信设备700适于使用来自多个不同GNSS的导航数据来改善以下环境中的性能：来自一个GNSS的导航数据可能受损或由于某些其他原因使用来自至少一个其他全球导航系统的导航数据是需要的或有益的。类似之前的描述，导航和通信设备700还适于从操作中心接收一个消息或更多个消息。来自操作中心的消息中的信息可以由导航和通信设备700使用以验证至少一个其他GNSS的完整性和性能。

用户导航和通信设备700可以包括用于从多个不同全球导航卫星系统的第一全球导航卫星系统接收导航信息和其他数据的接收器和天线702。第一全球导航卫星系统可以是GPS卫星系统或主要GNSS。

用户导航和通信设备700还可以包括用于从多个不同GNSS的至少一个其他GNSS或次要GNSS接收导航信息和其他数据的一个或更多额外的接收器704。例如，用户导航和通信设备700可以包括用于从俄罗斯的Glonass导航卫星星群、欧洲的Galileo GNSS、中国的CompassGNSS以及其他GNSS接收信号和数据的接收器和关联的天线。在另一实施例中，用户导航和通信设备700可以包括适于从多个不同GNSS接收信号和数据的单个接收器和关联的天线。

用户导航和通信设备700还可以包括通信收发器708以自操作中心接收一个消息或更多个消息，这与之前描述的类似。消息可以包括供用户导航和通信设备700使用的增强和援助信息以利用来自至少一个其他或次要GNSS的导航数据向用户提供全球方位和导航信息。收发器708还可以用于其他数据、语音或视频通信，或者用户导航和通信设备可以包括一个或更多这种通信的其他收发器。

如之前所述，由用户导航和通信设备700从操作中心接收的增强和援助信息可以从操作中心自多个参考站中的每个参考站收集的完整性和性能数据获得。每个参考站可以适用于从多个不同GNSS接收导航数据，并且适用于为每个不同GNSS或次要GNSS监视完整性和性能数据。

用户导航和通信设备700还可以包括存储器710，其用于存储包含以下数据的数据库：与完整性和性能以及用于增强和援助的其他信息有关的数据，包括但不限于导航卫星捕获和追踪辅助的数据、用于不同GNSS和关联卫星的差分校正的数据以及其他数据。

用户导航和通信设备700还可以包括处理器712。处理器712可以控制用户导航和通信设备700的总体操作。例如，处理器712可以包括模块714和模块716，模块714可操作于在处理器712上处理GPS信号和数据或来自主要GNSS的信号和数据，模块716可操作于在处理器712上处理其他或次要GNSS信号和数据。

用户导航和通信设备700还可以包括模块718，其可操作于在处理器712上执行关于来自每个GNSS或当前正用于增强和援助的GNSS的导航数据的多级完整性验证、测试或检查。多级完整性验证可以包括第一级完整性验证720，其可以涉及根据来自操作中心的涉及GNSS的完整性和性能的一个消息或更多个消息确定第一完整性指示。第二级完整性验证722可以包括利用RAIM进程或算法确定第二完整性指示。第三级完整性验证724可以包括利用多传感器整合确定第三完整性指示。利用多传感器整合的示例可以包括利用卡尔曼滤波残差或类似技术。卡尔曼滤波是一种可用于组合（或融合）来自多个源（例如多个传感器）的测量结果的技术。在卡尔曼滤波器中，来自多个源的测量结果或信息用于预测新的测量会是什么。接着，实际的新测量结果和预测的测量结果比较。测量的和预测的测量结果之间的差被称为“卡尔曼滤波残差”（也称为“革新”）。另外，基于“协方差信息”，对“残差”可以有多少变化有一个预期。若实际的残差值明显超出预期的变化范围，那么怀疑测量结果已经被破坏，并且这会导致检测或完整性问题。

也可以要求保护如下所示的额外实施例：

A10.用于多星群增强和援助的用户导航和通信设备，其包括：

至少一个接收器，其用于从多个不同全球导航卫星系统中的第一全球导航卫星系统接收导航信息，并用于从多个不同全球导航卫星系统中的至少一个其他全球导航卫星系统接收导航信息；以及

从操作中心接收消息的收发器，该消息包括由导航和通信设备使用的增强和援助信息，从而利用来自至少一个其他全球导航卫星系统的导航数据给用户提供全球方位和导航信息。

A11.根据权利要求A10的用户导航和通信设备，其中从操作中心接收的增强和援助信息是从操作中心自多个参考站中的每个收集的完整性和性能数据获得的，每个参考站适于从多个不同全球导航卫星系统接收导航数据并适于为每个不同的全球导航卫星系统监视完整性和性能数据。

A12.根据权利要求A10的用户导航和通信设备，其进一步包括用于执行关于来自至少一个其他全球导航卫星系统的导航数据的多级完整性验证的模块。

A13.根据权利要求A12的用户导航和通信设备，其中多级完整性验证包括：

第一级完整性验证，其包括根据来自操作中心的消息确定第一完整性指示；

第二级完整性验证，其包括根据接收器自主完整性监视算法确定第二完整性指示；以及

第三级完整性验证，其包括利用多传感器整合确定第三完整性指示。

以及也可以主张如下所示的进一步实施例。

A20.用于多星群GNSS增强和援助的方法，其包括：

从多个不同全球卫星导航系统中的第一全球导航卫星系统接收导航信息；

从多个不同全球导航卫星系统中的至少一个其他全球导航卫星系统接收导航信息；以及

从操作中心接收消息，该消息包括由导航和通信设备使用的增强和援助信息，以利用来自至少一个其他全球导航卫星系统的导航数据向用户提供全球方位和导航信息，其中从操作中心接收的增强和援助信息是从操作中心自多个参考站中的每个收集的完整性和性能数据获得的，每个参考站适于从多个不同全球导航卫星系统接收导航数据且适于为每个不同全球导航卫星系统监视完整性和性能数据。

虽然本文已经描述和说明了具体实施例，但是本领域的普通技术人员应当理解打算实现相同目的的任何安排可以替代示出的具体实施例，并且也可理解本文的各实施例在其他环境下具有其他的应用。这种应用意在覆盖本公开的任何调整或变化。所附的权利要求并非要将本公开的保护范围限定在本文描述的具体实施例。

附图中的流程图和框图图示了根据本公开各实施例可能实施的系统、方法和计算机程序产品的结构、功能以及操作。在这一点上，流程图或框图中的每个块可以代表一个模块、代码段或代码，其包括实施指定逻辑功能（一个或更多）的一个或更多可执行的指令。应当注意的是，在某些可选实施中，块中注释的功能可能与图中记录的顺序不一致。例如，连续示出的两个块实际上可能是并行执行的，或者取决于包含的功能，有时以相反的顺序执行。还应当注意的是，框图和/或流程图中的每个块以及框图和/或流程图中的块的结合可以由基于专用硬件的系统实施，或者由完成指定功能或行动的硬件和软件组件的结合实施，或者由专用硬件和计算机指令的组合实施。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，而不是为了限制本公开。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该/此”也同样希望包括复数形式，除非上下文清楚地表明不包括复数形式。还应当理解此说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不应将一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或附加排除在外。

以下权利要求的相应结构、材料、行为以及所有方法或步骤外加功能元素的等效物意在包括用于结合具体要求保护的其他权利要求要素来执行所述功能的任何结构、材料或行为。本公开的描述仅用于描述和说明目的，而不是为了穷举或限于本公开已经公开的形式。在不偏离本公开范围和精神的情况下，对于本领域的普通技术人员而言，很多修改和变化是显而易见的。选择并描述这些实施例是为了最好地解释本公开的原理和实践应用，也是为了让本领域的普通技术人员能够理解具有多处修改的各种实施例的公开同样适用于预期的特定用途。

Claims (15)

1.一种用于多星群全球导航卫星系统即GNSS增强和援助的系统，其包括：

多个参考站，每个参考站适于从多个不同的全球导航卫星系统接收导航数据并为每个不同的全球导航卫星系统监视完整性和性能数据；

操作中心，其接收从所述多个参考站的每个参考站传输的所述完整性和性能数据；以及

通信网络，其用于将来自所述操作中心的消息传输到用户的导航和通信设备以用于所述导航和通信设备的增强和援助。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述操作中心适于整合和分析来自每个所述参考站的所述完整性和性能数据，并且适于基于对整合的完整性和性能数据的分析生成并发送所述消息到所述用户的所述导航和通信设备，所述消息包括可由所述导航和通信设备用于增强和援助的信息以利用导航和通信设备从至少一个所述全球导航卫星系统接收的导航数据为用户提供全球方位和导航信息。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述导航和通信设备适于使用来自多个不同的全球导航卫星系统的导航数据来改善以下环境的性能：其中来自一个全球导航卫星系统的导航数据受损并要求使用来自至少一个其他全球导航系统的导航数据，并且其中来自所述操作中心的消息中的所述信息可用于验证所述至少一个其他全球导航系统的完整性和性能。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述参考站包括：

一个或更多接收器，其从所述多个不同的全球导航卫星系统的每个接收所述导航数据；

处理器或硬件与软件组件的组合，用于处理来自所述多个不同的全球导航卫星系统的导航数据，从而监视每个不同的全球导航卫星系统的完整性和性能数据并生成差分校正；以及

传输所述完整性和性能数据以及所述差分校正到所述操作中心的通信收发器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述参考站适于选择性地操作在多种模式的一种模式中，所述多种模式包括自勘测和自校准模式、参考站/操作中心即RS/OC合作勘测和校准模式以及正常操作模式。

6.根据权利要求5所述的系统，其中操作在自勘测和自校准模式的所述参考站适于：

执行接收器自主完整性监视；

基于已知的所述参考站的位置和所述参考站的静止而确认所述导航数据的完整性；

利用预定时间段内收集的导航数据确定所述参考站的位置；以及

确定被接收的多个导航信号的期望精度，其中所述参考站的位置和被接收的所述导航信号的期望精度在所述自勘测和自校准模式中被持续更新以允许切换到所述正常操作模式。

7.根据权利要求5所述的系统，其中在所述RS/OC合作勘测和校准模式下操作的所述参考站适于向操作中心提供全球导航卫星系统的伪距和载波相位测量数据，所述操作中心利用之前勘测的来自其它参考站的伪距和载波相位测量数据和来自在所述RS/OC合作勘测和校准模式下操作的参考站的伪距和载波相位测量数据而确定所述参考站的位置。

8.根据权利要求5所述的系统，其中操作在正常模式下的所述参考站适于执行对被使用的全球导航卫星系统的连续完整性监视，其中连续监视完整性包括：

预测当前被使用的全球导航卫星系统的伪距，其中所述伪距利用来自当前被使用的全球导航卫星系统的导航数据、参考站的已知方位以及来自其它全球导航卫星系统的时钟估计来预测；

把预测的伪距和当前被使用的全球导航卫星系统的测量的伪距作比较，从而确定任意差值；以及

响应于所述差值超出预定阈值而确定存在完整性问题。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述操作中心包括：

辅助处在每个参考站的RS/OC合并勘测和校准中的参考站的模块，其中所述操作中心：

从新部署的参考站接收导航数据；

利用差分技术组合来自所述新部署的参考站的所述导航数据和来自之前勘测和校准的参考站的测量的导航数据，其中所述差分技术包括使用双差分伪距测量和双差分载波相位测量；以及

其中所述操作中心进一步包括数据库，该数据库包括每个参考站的标识、每个参考站的位置、每个参考站的校准状态和精度、针对每个参考站的差分校正参数以及涉及每个全球导航卫星系统的信息。

10.一种用于多星群全球导航卫星系统即GNSS增强和援助的方法，其包括：

由多个参考站监视来自全球导航卫星系统的完整性和性能数据；

传输来自所述多个参考站的每个的所述完整性和性能数据到操作中心；

由所述操作中心整合和分析来自所述参考站中的每个的所述完整性和性能数据；

基于对整合的完整性和性能数据的分析生成消息，所述消息包括可由用户的导航和通信设备用于增强和援助的信息以利用导航和通信设备从所述全球导航卫星系统接收的导航数据为用户提供全球方位和导航信息；以及

发送所述消息到用户的导航和通信设备。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括由所述用户的导航和通信设备利用来自其它全球导航卫星系统的导航数据，所述其它全球导航卫星系统由所述导航和通信设备在预定条件下使用。

12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

由每个参考站利用所述参考站接收的导航数据和参考站的已知地理位置生成本地差分校正；以及

由每个参考站确定从所述全球导航卫星系统接收的导航数据的完整性。

13.根据权利要求12所述的方法，其中由每个参考站确定导航数据的完整性的步骤包括：

自所述全球导航卫星系统接收导航数据；

确定来自其它全球导航卫星系统的时钟估计；

利用从全球导航卫星系统接收的导航数据和时钟估计以及所述参考站的已知位置来预测全球导航卫星系统的伪距；

测量全球导航卫星系统的伪距；

把预测的伪距和测量的全球导航卫星系统的伪距作比较，从而确定任何差值；

响应于所述差值大于预定阈值而呈现完整性验证故障的指示；以及

响应于所述差值未超过所述预定阈值而呈现完整性验证通过的指示。

14.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

勘测和校准每个参考站，其中所述勘测和校准每个参考站包括：

由新部署的参考站传输全球导航卫星系统的伪距和载波相位测量到操作中心；

测量来自与新部署的参考站相邻的之前勘测和校准的参考站的伪距和载波相位测量，从而确定新部署的参考站的地理位置；以及

组合来自新部署的参考站的测量和来自之前勘测和校准的参考站的测量，从而确定新部署的参考站的精确位置以及勘测和校准新部署的参考站。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括利用差分技术组合新部署的参考站的测量和之前勘测和校准的参考站的测量，其中利用所述差分技术包括利用双差分伪距测量和双差分载波相位测量。

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