CN106796295B - 用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法、用于全球导航卫星系统的接收器和机动车 - Google Patents

用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法、用于全球导航卫星系统的接收器和机动车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法，其中，在进行位置确定的范围内，接收器(7)从多个卫星的卫星信号中确定在接收器(7)和卫星之间的基于输送时间测量的输送时间距离以及在接收器(7)和卫星或基准点之间的基于载波相位测量的载波相位距离，其中，在接收器(7)中形成传输时间距离和载波相位距离的时间导数的差作为评估参量，通过至少一个多路径标准针对多路径误差的存在对该评估参量进行分析处理。

Description

用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号 的方法、用于全球导航卫星系统的接收器和机动车
技术领域
本发明涉及一种用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法，其中在进行位置确定的范围内，尤其运动的接收器从多个卫星的卫星信号确定接收器与卫星之间的基于飞行时间测量的飞行时间距离和接收器与卫星或基准点之间的基于载波相位测量的载波相位距离，本发明还涉及一种用于全球导航卫星系统的接收器以及一种机动车。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)在现有技术中已经广泛已知。这种全球导航卫星系统的意思是，环地轨道中的多个卫星发射信号，这些信号通常被调制在载波频率上并描述卫星的位置和所谓码信号的发射时间。通过具有卫星位置和发射时间的码信号，当接收器中的时钟与卫星的时钟完美同步时，原则上从三个卫星的卫星信号中便已可以确定地球上的三维位置，由此从卫星信号的飞行时间中得到距离(飞行时间测量)并找出球表面的交点，该交点从接收器和卫星之间的距离得到。因为通常存在时钟误差，所以需要四个卫星的卫星信号，以便可以通过飞行时间测量确定地球上的三维位置，这是因为这时存在用于四个未知量的四个方程。更多卫星的信号通常用于可信度测试等。还提出了如下方法，这些方法利用少于四个的卫星信号工作，而这些卫星信号则以运动模型和/或时间上的关联来工作。
在此处描述的方式方法中，通过卫星信号从卫星到接收器的飞行时间来确定位置，从中得到卫星和接收器之间的距离。所得到的距离与接收器的时钟误差一起通常被称为“伪距离”；因为飞行时间测量对调制到卫星信号的载波频率上的码进行分析处理，所以飞行时间测量经常被称为“码测量/编码跟踪”或“码相位测量”。
在开放的天空视野的情况下，现今简单的GNSS接收器在95％的情况下已经达到5m以下的精确度。由于高的光速，在飞行时间测量中通常还会出现不精确性。多数现代的GPS接收器因此还使用另一用于测量距离的变型，即所谓的使用多普勒测量的载波相位测量，在该载波相位测量中分析载波频率的相位和该相位的变化。虽然在为其它应用、例如飞行时间摄像机确定距离的情况下相位测量是尤其常见的，但是在GNSS接收器中存在如下问题，即不知道在卫星和GNSS接收器之间存在多少个完整的波列。即在相位测量时总是存在多义性，这是因为不知道已经经过了多少个完整的波长。因此，多普勒测量(载波相位测量)通常参照基准点/参考点，从该基准点开始尽可能持续地观察相位，并因此至少相对于这个基准点已知波长的数量。还提出了如下方法，其中对直到卫星的完整波长的数量进行估计，以便通过载波相位测量确定接收器和卫星之间的距离。在卫星信号暂时遗失时可能出现问题，这是因为这时可能会错过至少一个波长的通过，从而出现相位关系的损失。对此原因可以是例如通过障碍、还有多路径效应和类似情况形成的信号屏蔽。这种相位关系的损失被称为“失锁”，并通常在载波相位的测量中造成跳跃(“周跳”)。然而这不会影响飞行时间测量。
在很多现代的应用中、例如在机动车中，当今要求接收器的定位的非常高的精度，例如在机动车中的现代的驾驶辅助系统的情况中。在GNSS测量的范围中出现大量误差，其中之一是基于多路径效应的多路径误差(“multipath error”)。在建设地带和主要在窄巷中或者在高的房屋外立面的情况下经常出现遮蔽和反射，这种遮蔽和反射可以导致大的位置误差。如果相对于相应卫星还存在视准线连接，则存在直接通过视准线(LOS)获得的卫星信号和相对于该卫星信号重叠、反射、轻微滑移的多路径信号，这导致类似于差拍/差频和类似的效果。已经提出了多种方法，以便通过硬件和/或软件克服多路径效应。
第一种途径涉及与设置在接收器的输入侧上的相关器的参量的匹配，其中前置相关器的高带宽以及窄的相关器间距相对于具有多路径的卫星信号提高了鲁棒性，为此例如参见由E.D.Kaplan和C.J.Hegarty所著的权威著作：“Understanding GPS—Principlesand Applications(理解GPS—原理和应用)”，Norwood：Artech House 2005。另一建议的方案是RAIM(接收机自主完好性监测)的衍生物，用于识别具有误差的卫星信号/距离测量。在此在序贯RAIM和快照RAIM之间进行区分。在快照RAIM的情况下，对不同卫星的同时观测结果相对彼此进行可信度测试。当一观测结果的残差超过适合的阈值时，则摈弃该观测结果。在序贯RAIM的情况下，为了形成残差使用从过去的测量中产生的预测，为此例如参见Journal of Surveying Engineering(测量工程杂志)，Vol.136，Nr.1，第13-22页，2010中由S.Hewitson和J.Wang所著的文章：“Extended Receiver Autonomous IntegrityMonitoring for GNSS/INS Integration(用于GNSS/INS集成的扩展的接收机自主完好性监测)”。
除了基于伪距离、即基于飞行时间测量的探测方法，还存在如下方案，这些方案使用接收器的附加的输出参量，例如多普勒测量的结果。在此应用如下事实，即多路径误差对载波相位测量和飞行时间测量具有不同作用。通过从由飞行时间测量基于调制的码而确定的距离(飞行时间距离)中减去由多普勒测量(载波相位测量)确定的距离(多普勒距离)可以形成所谓的码减载波(CMC)参量，并且估计多路径误差的值，如例如在GlobalPositioning System Theory and Applications(全球定位系统理论和应用)，Vol.1，第547-568页，1996中的M.S.Braasch的文章“Multipath effects(多路径效应)”中所描述的。还可以在频域中分析该CMC参量或类似参量，并可以衰减表征几何形状的多路径频率。
总之可以确定，多路径误差是限于局部的现象。因此不能借助基准设施(例如差分GPS)实现校正。因此必需使用接收器自主探测方法。但是至今在现有技术中已知的方法自身还有一些缺点。
因此广泛应用的快照-RAIM方法为了误差探测和识别还需要最少数量的看得见的卫星。多路径误差的探测在那里利用五个卫星信号才可能实现，其中识别具有误差的观测结果当存在六个卫星信号的情况下才可以实现。传统的RAIM的变型能够从n个观测结果中识别出n-5个具有误差的观测结果，对此参见Proceedings of the ION GNSS Conference(ION GNSS会议论文)，2008中的G.Schrott，M.Rippl，A.Ene，J.Blanch，B.Belabbas，T.Walter，P.Enge和M.Meuer的论文“Enhancements of the Range Consensus algorithm(RANCO)”。
然而对于多个实际出现的使用情况，所需卫星信号的大的数量是强烈限制的。在城市区域中，在那里多路径传输表现出很高的挑战，高的房屋外立面隔断大部分投向天空的视线。因此在这种房屋峡谷中经常不能接收到为了探测负担了多路径误差的卫星信号所需数量的卫星。
对于基于序贯RAIM的方法，需要状态估计器，以便从过去的测量中求得预测。该状态估计器导致附加的复杂性，还不能避免模型误差和预测误差。
对于静态应用，尤其使用CMC参量被证明是尤其有利的，为此又参见已经提到的M.S.Braasch的文章。然而在动态、即运动的接收器的情况下，例如在机动车中使用时，该方法是有问题的。这时会显著更频繁地出现已经提到的周跳，这种周跳会使载波相位多义性估计变得困难。为了产生CMC参量需要解析的载波相位多义性。在频域中工作的方法也不适用于动态的情况，这是因为持续变化的几何形状阻碍了在观测结果中形成特征频率。
Hyung Keun Lee等的文章“GPS Multipath Detection Based on Sequence ofSuccessive-Time Double-Differences(基于连续时间的双差序列的GPS多路径探测)”，IEEE Signal Processing letters，第11册，Nr.3，第316-31页(XP011107859，ISSN：1070-9908，DOI：10.1109/LSP.2003.821744)涉及形式为有效信道检验统计量的多路径误差的探测，该检验统计量应基于在相继的时刻拍摄的双差的序列(STDD)。在此，STDD应为伪距离增量与载波相位增量之间的差。
根据US 6,329,945 B1要借助星图实现改善的GPS精确度。在此应在长的时期尤其是24小时上进行测量，其中，环境条件不应改变。在那里表明，多路径误差对于载波的相位没有很大影响，从而提出，观察从一次测量到下次测量的累积的相位变化。
发明内容
因此本发明的目的是，尤其在运动的GNSS接收器的情况下提出改进的用于探测负担有多路径误差的卫星信号的可能方案。
为了实现这个目的，在开头所述类型的用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法中根据本发明提出，在进行位置确定的范围内，接收器从多个卫星的卫星信号中确定在接收器与卫星之间的、基于飞行时间测量的飞行时间距离以及在接收器与卫星或基准点之间的、基于载波相位测量的载波相位距离，其中，在接收器中形成飞行时间距离的时间导数与载波相位距离的时间导数之间的差作为评估参量，通过至少一个多路径标准针对是否存在多路径误差对该评估参量进行分析处理，其中，从由第一卫星的卫星信号导出的飞行时间距离和由第二卫星的卫星信号导出的载波相位信号中确定评估参量，其中，卫星之一是具有小的多路径误差的基准卫星。
根据本发明即观察如下参量，该参量可以被称为“码减载波Δ距离”(CMCD)。在GNSS的范围内被称为Δ距离(或距离变化率)的参量是既可以从飞行时间测量中又可以从载波相位测量中导出的参量，即通过相应距离的时间导数。如同在其它使用CMC参量的方法中那样本发明也应用如下情况：多路径误差对飞行时间测量、载波相位测量和作为载波相位测量的基础的多普勒测量的测量值产生不同强度的影响。因此可以通过彼此间的可信度测试探测存在的误差，其中由多路径接收造成的多路径误差在飞行时间测量和载波相位测量中例如相差两个数量级，参见例如Ganga-Jamuna出版社，2011年由P.Misra和P.Enge所著的基础著作“Global Positioning System：Signals，Measurements，and Performance(全球定位系统：信号、测量和性能)”的第178页。
在此为了形成基于Δ距离的评估参量和为了其激发(Motivation)，本发明从确定的误差模型出发。作为误差模型，对于飞行时间测量(伪距离)应用
以得到飞行时间距离，而对于载波相位测量相应地为载波相位距离应用
其中
t 接收时刻
k＝1，...，K 卫星编号
r(k)(t，t-τ) 在时刻t时的接收位置与发射时刻t-τ时的卫星位置之间的几何(真正)距离
τ 传输时间[s]
c 光速[m/s]
δtu(t) 接收器时钟误差(相对于GNSS时间)
δt(k)(t-τ) 卫星时钟误差(相对于GNSS时间)
I(k)(t)，T(k)(t) 电离层误差和对流层误差
α 二进制指标变量(1：存在多路径效应，0：不存在多路径效应)
mρ(t) 飞行时间测量-多路径误差
ερ(t) 未调制的误差(例如接收器噪音、漫反射)
N 载波相位多义性
λ 载波信号的波长
mφ(t) 载波相位测量-多路径误差
εφ(t) 未调制的误差
根据本发明，用作评估参量的码减载波Δ距离(CMCD)被确定为
在此明显看出，由于弥散效应而双重出现的大气误差的时间依赖性仅描述了缓慢的变化，从而因此相应的导数小得可忽略。可以有利地识别出：由于不依赖于时间这一事实情况而同样可忽略相位双义性、即载波相位多义性，从而周跳不再是问题。下列假设
仅在直接通过视准线(LOS)接收卫星信号时才原则上是适用的，从而在卫星信号仅由多路径信号组成的情况下，即在所谓的NLOS情况下，模型并不精确，然而可以应用评估参量，这是因为卫星信号一定负担有多路径误差并与标准过程/正常过程显著偏差，从而多路径标准应起作用。
在此明显可以设想两种不同的途径，其中一方面以非根据本发明的方式可以设想，从由相同的卫星信号导出的距离中确定评估参量。在上述公式(3)中这意味着，k＝l，因为这样可以独立地实现对于每个卫星信号的探测，并且不必要比较在各个卫星信号下的观测结果，因此也不必预先规定最少数量的观测。然而根据本发明可以规定，从由第一卫星的卫星信号导出的飞行时间距离以及由另一、第二卫星的卫星信号导出的载波相位距离确定评估参量，其中，卫星之一是具有小的多路径误差的基准卫星。即如果从一开始已知一具有小的多路径误差的卫星，则该卫星可以用作基准卫星。尤其便剩下几何项，即公式(3)的最后一行的第一项，从而适宜的是，以在考虑了至少卫星的、尤其卫星的和接收器的速度信息的情况下通过接收器和卫星之间的不同的相对速度产生的附加项(几何项)修正评估参量。就是说，从存在的信息中一定可以估计出附加项(几何项)，从而可以在相应的修正后使用评估参量。
在没有多路径接收的情况下，评估参量在所述距离来自相同的卫星的的情况下相当于放大的接收器噪音。在多路径接收的情况下，出现附加的噪音过程，该噪音过程造成评估参量的统计学特性的变化，即尤其示出具有在时间上的变化曲线中显著更大的振幅(幅度)的更宽的频带。因此多路径标准可以表述为假设检验，其探测附加的噪音过程，并进而允许，将飞行时间测量或卫星信号本身分类为具有多路径误差的或无多路径误差的。换句话说，可以允许多路径标准将公式(1)至(3)中的参量α预估为0或1。因此卫星信号能以简单而可靠的方式方法被分类为负担了多路径误差的。
根据本发明的方法有利的是，可以纯从在商业通用的GNSS接收器中存在的测量数据中形成评估参量CMCD。因此多路径探测的这种方式独立于基准数据和所有的基础设施。在观测唯一的卫星信号的情况时的优点已经说明了。
在此描述的对卫星信号中的多路径误差的探测的另一优点是，评估参量也可以用在动态的情况下，即在例如在机动车中运动的接收器的情况，这是因为多路径过程形成为评估参量中的宽带噪音，并因此尤其周跳可以被视为可忽略的干扰过程。
由CMCD、即评估参量的差分特性，产生相对于缓慢的误差过程的免疫性。对此包括电离层误差、对流层误差和载波相位多义性，如已经描述的。这提高了探测算法的鲁棒性并降低了技术实现的复杂性。两个寄存器和三个加法器就足够用于具体地完成评估参量的确定。
如已经描述的，在本发明的范围中尤其提出，通过多路径标准将被检查的卫星信号分类为无多路径误差的或具有多路径误差的。在此可以具体规定，对于多路径标准通过上一次确定的评估参量在滑动窗口中的统计学方面的分析处理来确定特征值，该特征值与阈值比较用以在无多路径误差的卫星信号和具有多路径误差的卫星信号之间进行区分。如已经描述的，多路径误差的存在导致，评估参量不仅包含放大的基本噪音，还出现附加的宽带噪音，该宽带噪音具有显著更大的振幅，从而提供在滑动窗口中的统计学方面的分析处理，以便快速和可靠地探测多路径误差。在此可以具体地规定，滑动窗口中评估参量的最大值被视为特征值，和/或滑动窗口中评估参量的标准差被视为特征值，其中尤其是，阈值被设置为在一确定的、无多路径误差的变化过程中的方差的至少多倍。具体的倍数在此可以依赖于第一类型的和第二类型的预期的统计误差进行选择。这两个变型利用的是，与由于同样高斯分布的放大的接收器噪音可能出现的振幅相比，宽带的附加噪音由于多路径误差具有更大的振幅。当然原则上也可以设想多路径标准的另外类型的表述，用于描述在统计行为中由于附加噪音而出现的变化。
如已经描述的，根据本发明的方法可以尤其有利地用于运动的接收器的情况，尤其在使用安装和/或布置在机动车中的接收器时的情况。根据本发明的方法还可以用于全球导航卫星系统(GNSS)，利用其可以实现飞行时间测量和载波相位测量，从而例如可以使用GPS和/或伽利略卫星导航系统和/或GLONASS和/或北斗(Compass)卫星导航系统作为全球导航卫星系统。
除了本方法，本发明还涉及一种用于全球导航卫星系统的接收器，该接收器具有运算装置，该运算装置被设计用于执行根据本发明的方法。根据本发明的方法在此可以整体尤其适宜地集成在常规的用于确定接收器的当前位置的算法中，其中从进一步的观测中抽取出被探测为具有多路径误差的确定的卫星信号，或诸如此类。与根据本发明的方法相关的所有实施方案可以类似地转用于根据本发明的接收器，利用该接收器因此可以获得相同的优点。
最后本发明还涉及一种机动车，该机动车具有根据本发明的接收器。机动车通常以较大的速度运动，从而至今应用的用于探测多路径误差的方法不能足够鲁棒且可靠地应用。这种情况在使用根据本发明的方法的情况下改变了，根据本发明的方法由于已经描述的事实情况在探测多路径误差时提供了这种鲁棒性和可靠性。
附图说明
从下面描述的实施例中以及根据附图得到本发明的其它优点和细节。在此示出：
图1示出根据本发明的方法的实施例的流程图，
图2示出用于求得评估参量的方框图，
图3示出评估参量的可能的时间的变化曲线，和
图4示出根据本发明的机动车。
具体实施方式
图1示出根据本发明的方法的流程图，该方法在普遍的位置确定中集成在GNSS接收器内部。在步骤S1中，在GNSS接收器的内部如通常那样确定和提供：从通过对调制到卫星信号的载波频率上的码进行分析处理的飞行时间测量中确定的、接收器和卫星之间的飞行时间距离，以及基于以多普勒测量为基础的载波相位测量的、接收器和卫星或基准点之间的载波相位距离。
在步骤S2中应用这些距离(和其时间变化曲线)以确定评估参量CMCD，如通过公式(3)所述的。在此通过在相应的当前距离与在寄存器中储存的、之前确定的距离之间形成差值而确定时间导数，如也在图2的方框图中所示的。在那里又以ρ表示飞行时间距离，用λφ表示载波相位距离。寄存器1记录时间上先前确定的值。加法器2用于形成差值，以便确定对应的Δ距离。另一加法器3根据在公式(3)中的定义使两个Δ距离彼此相减，以便获得评估参量CMCD。当然，图2中的方框图仅表示一简单的实现方案；也可以通过考虑多个历史值和类似值或以其它方式方法来确定时间导数；尤其可以通过软件组件实现CMCD的求取。
图3示出在大约100秒的时间段中记录的评估参量CMCD相对于时间t的示例性的变化曲线。如果作为基础的卫星信号是没有多路径误差的，其中在此分析处理同一卫星信号的飞行时间距离和载波相位距离，则在区域4中仅示出具有小振幅的、即评估参量的小的最大值的、放大的接收器噪音。在区域5中然而存在多路径效应，从而产生显著变化的行为，因此出现具有强的振幅、即大的幅度的宽带噪音。
又参照图1，在步骤S3中现在应使用评估参量来分类：卫星信号是否负担有多路径误差。为此对评估参量的变化曲线进行统计学方面的分析处理，其中在此应用多路径标准，该多路径标准将在变化曲线上在总是在评估参量的当前值处终止的滑动窗口内的评估参量的最大值与阈值相比较，在此纯示例性的阈值为5m每秒。如果超过这个阈值，则在步骤S4中将该卫星信号分类和标记为具有多路径误差的卫星信号。如果没有超过阈值，则在步骤S5中将从中求得了评估参量的卫星信号分类和标记为无多路径误差的。当然这种分类通过在步骤3中执行的假设检验被持续追踪，以及对于所有接收的卫星信号都执行这种分类。
在步骤S6中于是可以实现位置确定，其中被标记为具有多路径误差的卫星信号以及从这些信号中确定的距离不予考虑。
当然可以在步骤S3中另选或附加地使用其它的评估标准，例如评判滑动窗口中评估参量的标准差的评估标准。
最后图4示出根据本发明的机动车6的原理图，该机动车具有根据本发明的GNSS接收器7，在此为GPS接收器。该接收器包含被设计用于执行根据本发明的方法的运算装置8。

Claims (12)

1.一种用于在多路径误差方面评估全球导航卫星系统中的卫星信号的方法，其中，在进行位置确定的范围内，接收器(7)从多个卫星的卫星信号中确定在接收器(7)与卫星之间的、基于飞行时间测量的飞行时间距离以及在接收器(7)与卫星或基准点之间的、基于载波相位测量的载波相位距离，其中，在接收器(7)中形成飞行时间距离的时间导数与载波相位距离的时间导数之间的差作为评估参量，通过至少一个多路径标准针对是否存在多路径误差对该评估参量进行分析处理，其特征在于，从由第一卫星的卫星信号导出的飞行时间距离和由第二卫星的卫星信号导出的载波相位信号中确定评估参量，其中，卫星之一是具有小的多路径误差的基准卫星。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少考虑卫星的速度信息的情况下以通过接收器(7)和卫星之间的不同的相对速度产生的附加项对评估参量进行修正。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在考虑卫星的速度信息和接收器(7)的速度信息的情况下以通过接收器(7)和卫星之间的不同的相对速度产生的附加项对评估参量进行修正。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过多路径标准将被检查的卫星信号分类为无多路径误差的或具有多路径误差的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于多路径标准，通过对上一次确定的评估参量在滑动窗口中进行统计学的分析处理而确定特征值，将该特征值与阈值相比较用以区分无多路径误差的卫星信号和具有多路径误差的卫星信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将评估参量在滑动窗口中的最大值视为特征值，和/或将评估参量在滑动窗口中的标准差视为特征值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，阈值被设置为在一确定的无多路径误差的变化过程中的标准差的多倍。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，接收器(7)是运动的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用安装和/或布置在机动车(6)中的接收器(7)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，作为全球导航卫星系统，使用GPS和/或伽利略卫星导航系统和/或GLONASS和/或北斗卫星导航系统。
11.一种用于全球导航卫星系统的接收器(7)，具有被设计用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的运算装置(8)。
12.一种机动车(6)，具有根据权利要求11述的接收器(7)。
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