CN108076662A - 具有使用未组合公式来解算模糊度的能力的gnss接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于处理来自一个或多个GNSS星座的导航信号的接收机和方法，其中观测模型和测量模型允许对载波相位模糊度进行直接计算。更具体地，在三频实现中，接收机依次计算超宽巷、宽巷和窄巷模糊度。编码和载波相位偏差也能够被直接计算。由于本发明，对准确位置更迅速地获取和跟踪，其也比现有技术解决方案具有更少的噪声，尤其是在使用RAIM和/或间隙搭桥功能的本发明的一些实施例中。此外，使用多普勒和低延迟时钟同步的编码平滑允许降低精确点导航解决方案的噪声级别。

Description

具有使用未组合公式来解算模糊度的能力的GNSS接收机
技术领域
本发明应用于卫星导航领域。更具体而言，本发明允许具有用于以改进的方式执行精确定位的三频能力的卫星导航接收机。
背景技术
存在两种已经被完全部署多年的全球导航卫星系统(GNSS)(美国全球定位系统、俄罗斯GLONASS)以及正在部署中的另外两个GNSS(中国北斗导航卫星系统和欧洲伽利略系统)。这些系统依赖相同的原理：从围绕非静止轨道运行的多个卫星广播微波无线信号；上述信号携带与在被配置为接收被广播的信号的接收机中的本地副本相关的编码；当接收机能够从最小数目的卫星(一般而言四个)获取并跟踪信号时，其能够根据在视野范围内的卫星的伪距计算其自身的位置、速度、时间(PVT)。
伪距的精度受到无线信号的路线通过大气层(电离层和对流层)的冲击力的显著影响，其可能产生超过10米的误差。所有的GNSS在两个不同的频率上提供两个信号，用于消除大气层误差并执行精确点定位。
不仅通过使用标准编码测量，而且通过使用载波相位测量，也极大地增强了伪距的精度。编码测量具有大约10米的标准精度(没有误差校正)。载波相位测量能够产生厘米级别精度。但是载波相位测量本质上是模糊不清的，即，根据单个载波的原始信号不容易确定在测量时载波信号的周期数。这主要是因为载波相位模糊度受到接收机和卫星偏差的影响。
随着时间的过去，已经开发了用于消除这些模糊度的技术。
第一类型的模糊度解算的方法依赖于由参考接收机从两个不同的卫星接收的信号观测的单差，这消除了卫星偏差，或在两个不同的参考接收机上来自单个卫星的信号观测的单差，这消除了参考接收机偏差。
第二类型的模糊度解算方法依赖于两个参考接收机从两个不同的卫星接收的信号观测的双差，这消除了卫星和参考接收机偏差二者。
第一类型和第二类型的方法都独立地处理每一频率的信号。
第三类型的模糊度解算方法依赖于所有参考接收机从看得到的所有卫星接收的信号观测的零差。该第三类型的模糊度解算依赖于计算载波相位信号偏差的直接过程，而不计算差。该第三类型的方法由转让给本申请的申请人的欧洲专利EP2140285公开。但是这些方法仍然依赖于时间组延迟中的相位偏差的组合。
第三类型的方法效果好，但是依赖于实现。此外，由于信号组合的可能数目(在理论上从4到9)，所以对于三频信号而言其复杂度显著增加。
从而，存在对于在不组合信号的相位偏差的情况下解算载波相位模糊度的方法的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供对现有技术的这些改进。
通过在观测模型中直接使用信号的编码和相位偏差以及针对GNSS星座中的每一卫星的载波相位模糊度提供三频GNSS接收机来实现该目标。
为此目的，本发明公开一种GNSS定位信号的接收机，包括：信号处理信道的N联体，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取和跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；一个或多个滤波电路，被配置用于在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；其中N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型接收包括信号处理信道的N联体的跟踪电路的值输出的测量向量作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度以从N个不同载波中选择的载波和载波的组合中的一个为特征，并且不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
有利地，N等于或大于3，并且所述状态向量中的载波相位模糊度以N个载波的宽巷和超宽巷组合中的一个为特征。
有利地，所述状态向量包括表示第一频率载波、宽巷和超宽巷的载波相位模糊度的变量，并且所述观测模型包括从超宽巷载波开始在每一时间间隔处解算模糊度的引导程序计算。
有利地，所述观测模型进一步接收萨格纳克效应、固体地球潮汐效应、相位缠绕效应、电离层误差、对流层误差、轨道误差以及相对误差中的一个的校正作为输入。
有利地，所述观测模型接收由当地气象先验调制的电离层误差和对流层误差的校正作为输入。
有利地，所述观测模型使用在所述接收机和在视野范围内的多个卫星之间的伪距的平均值作为所述接收机的初始位置。
有利地，所述观测模型使用协方差矩阵，所述协方差矩阵是使用比尔曼算法进行更新的并且是使用桑顿算法进行传播的。
有利地，所述测量向量和所述状态向量包括来自多个卫星的数据，所述多个卫星中的至少两个属于不同的星座。
有利地，如果在所述跟踪电路的输出处的测量值与预测值的残差高于第一预定阈值，则将所述测量值从所述测量向量过滤掉。
有利地，在将在跟踪电路的输出处的测量值的组合从所述测量向量中迭代过滤掉之后，如果所述测量值与预测值的残差低于第二预定阈值且其数目最大，则将所述测量值保持在所述测量向量中。
有利地，所述状态向量进一步包括整数相位载波跳跃，每一整数相位载波跳跃用于测试在信号损失之后载波相位模糊度的初始值。
有利地，使用由编码测量调制的载波的多普勒测量在一阶滤波器中对在跟踪电路和滤波电路中使用的编码测量进行平滑。
有利地，所述观测模型每次将与所述卫星的时钟的时间差小于预设值的测量考虑在内。
本发明还公开了一种定位GNSS信号的接收机的方法，包括：获取在信号处理信道处的GNSS信号的N联体，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生在给定频率处包括在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；其中，N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型接收包括N个信号处理信道的跟踪电路的值输出的测量向量作为输入并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度以从N个不同载波中选择载波和载波的组合中的一个为特征，并且其不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
本发明还公开一种用于定位GNSS信号的接收机的计算机程序，包括：被配置为获取在信号处理信道的N联体处的GNSS信号的N联体的计算机代码指令，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率上跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；被配置为在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值的计算机代码指令；其中N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型接收包括信号处理信道的N联体的跟踪电路的值输出的测量向量作为输入并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度以从N个不同载波选择的载波和载波的组合中的一个为特征，并且不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
本发明的优点在于适应了接收机中载波频率的多个不同组合来解算模糊度。一般而言，由于本发明，大大地缩短了三频接收机的收敛。此外，在本发明的一些实施例中，提供了增强的完整性。在一些实施例中，接收机具有用于在信号损失之后恢复信号的内构能力。在一些实施例中，显著减小了编码信号的噪声。此外，在一些实施例中，减小了准确单点定位解决方案的短期噪声。
附图说明
通过对各种实施例和随后附图的描述，将更好地理解本发明，且其各种特征和优点将变得显而易见：
-图1表示使得能够在其多个实施例中实现本发明的系统；
-图2表示在本发明的多个实施例中接收机的功能架构；
-图3是根据其多个实施例实现本发明的方法的流程图；
-图4a和4b分别显示根据本发明的一些实施例的观测模型的状态变量的一些参数的列表和测量模型的一些参数的列表；
-图5描绘了在本发明的一些实施例中三频GNSS接收机的收敛；
-图6a和6b描绘了在本发明的一些实施例中RAIM算法的两个变形；
-图7a和7b分别描绘了对图6a和6b的RAIM算法的两个变形的三频GNSS接收机的孤立点检测的影响；
-图8是在本发明的一些实施例中间隙搭桥算法的流程图；
-图9a和9b描绘了使用图8的间隙搭桥算法的影响；
-图10a和10b描绘了根据本发明的一些实施例的多普勒平滑算法的影响；
-图11a、11b和11c描绘了在本发明的一些实施例中对时钟校正和测量的同步的三频GNSS接收机的收敛的影响；
-图12是用于实现本发明的系统示例的架构的表示；
-图13是用于实现本发明的PPP核心模块的流程图的表示。
具体实施方式
图1表示使得能够在其多个实施例中实现本发明的系统。
存在多种类型的GNSS接收机，其可以是或多或少紧凑的。仅通过本发明应用现场的示例的方式，图1描绘了终端，该终端是具有用于至少从导航卫星的星座140获取信号的功能的智能电话110。终端应该具有用于获取卫星信号的特定天线120a。其还可以具有改进获取和跟踪导航信号的状况的另加的外部天线130。内嵌的和外加的天线可以被适配成单频带、双频带或三频带。可以选择外加的天线的位置以改进接收的状况，尤其是在机动车辆、船或飞机上。其可以被容纳在天线罩中，以限制多径反射的影响。在这样的配置中，位置测量的置信指数将是很好的。如果天线具有最小特征和/或如果终端的环境创建许多的多径反射，则位置测量的置信指数将低得多。
智能电话还具有用于接收3G/4G无线通信信号的天线120b。当定位终端不是智能电话时，其总是可以通过使用USB密钥将通信能力添加到其功能。可替换地，终端可以被连接到有线通信网络，或者直接经由以太网端口、或者间接经由WiFi或蓝牙接入端口。
终端天线允许获取导航卫星的一个或多个星座140a、140b的信号，目前在西半球中是GPS和GLONASS，且不久将是伽利略和北斗。获取并跟踪来自对于信号处理是必需的最小数目的卫星(一般而言四个)的信号的质量将显著地取决于终端相对于星座卫星的位置并且取决于当地的接收状况。从而，从多个星座获取信号的可能性改进了位置测量的可获得性、精度和置信指数。还存在发射包含用于校正诸如EGNOS或INMARSAT之类的基本星座信号(基于卫星的增强信号或SBAS)的消息的信号的卫星。
卫星信号由终端的专用集成电路或电子板处理，或在智能电话的情况下，由还实现其他功能的集成芯片集150的功能块处理。专用板或芯片由U-Blox(例如，在用于精确定位应用的参考Neo-7PTM之下)、CSR(例如，在参考SiRFatlasVITM之下)以及Broadcom(例如，在参考BCM2075之下)生产。应用开发商一般可以获得对由用于计算以位置测量为特征的点速度和时间的电路执行的每一卫星信道的处理。这允许更容易且更灵活地实现处理不同卫星信号处理信道的输出的各种算法，包括在本发明的框架中使用的算法。在其他情况下，例如被集成在智能电话的SnapDragonTM主芯片集中的高通gpsOneTM技术的定位块，可能需要使用其他的算法。
可以利用地图数据160来融合在处理单元的输出处的定位数据。
终端110还可以通过允许访问来自专业网络170的数据的有线或无线通信链路来获得校正信息。该校正信息可以是微分的或绝对的实时校正，例如RTIGS或实时国际GNSS服务，使用RTCM SC-104标准化格式(即，来自海上服务的无线电技术委员会的标准化委员会104)。
终端可以在本地或远程访问由其处理器之一使用以计算定位数据的当前精度的数据(可能已校正)，以及根据终端的预测轨道、接收状况的可能演变和终端的硬件和软件配置的可能修改(即，根据多径反射在多频和单频模式之间切换)，这样的精度随着时间的演变。由转让给本申请的申请人且申请号为FR 14/56862的法国专利申请公开了这样的预测。
图2表示在本发明的多个实施例中接收机的功能架构。
根据本发明的接收机包括多个信号处理信道210、…、21n。每一单个的处理信道处理来自星座中的一个卫星的信号。来自多个星座的信号可以通过不同处理信道同时获取。单个的处理信道包括多个子信道或单个信道211、212、213，子信道处理由卫星以定义的频率发送的一个载波的信号。可以存在在信道上获取并跟踪的一个、两个、三个、或可能地N个子载波。例如，当前，GPS星座的每一个卫星在两个不同的频率上广播两个信号，L1和L5。这两个信号可以被获取和跟踪，即使L5上的导航消息被预留给授权用户且无法由标准接收机解码。每一个子信道包括编码跟踪环路2111和载波跟踪环路2112。编码跟踪环路监控由每一个卫星发送的调制信号。载波跟踪环路监控载波的相位。从而，本发明的接收机包括单个信号处理信道的多个N联体、信号处理信道的N联体处理在某一时刻来自一个卫星的信号、N联体中的一个信号处理信道处理来自针对给定卫星在给定频带中的一个载波的信号。根据本发明，N等于2或更大。在信号处理信道的N联体中的一些电路可以由不同频带的处理信道共享。
针对每一个信道，配置测量向量220、…、22n。所有信道组合允许确定滤波电路中的状态向量230，该滤波电路可以是卡尔曼滤波器。
注释是两个下面的出版物中的那些：《Integer Ambiguity Resolution onundifferenced GPS Phase measurements and its application to PPP and satelliteprecise orbit determination(对非差GPS相位测量的整数模糊度解算及其对PPP的应用和卫星精确轨道确定)》，LAURICHESSE Denis,MERCIER Flavien,BERTHIAS Jean-Paul,BROCAPatrick,CERRI Luca，导航期刊Vol 56N02；D.Laurichesse，白皮书“Phase biasesfor ambiguity resolution:from an undifferenced to an uncombined formulation(用于模糊度解算的相位偏差：从非差到非组合的公式)”。
在本发明的实施例中，其中N＝3，功能模型的第一公式是：
其中，f1、f2和f5是GPS系统(L1、L2、L5)或伽利略系统(E1、E5a、E5b)的三个频率，且c是真空中的光速。对于GPS L1、L2和L5频带，f1＝154 f0，f2＝120 f0，且f5＝115 f0，其中f0＝10.23MHz。对于伽利略而言，f1是相同的(E1)，f2可以由120 f0(E5a)代替且f5可以由118 f0(E5b)代替。
以米为单位来表示伪距或编码测量P1P2和P5，而以周期为单位来表示相位测量L1L2和L5(或在伽利略的情况下E1，E5a，E5b)。
模型的其他公式为：
N′1＝N1+δN1
N′W＝NW+δNW
N′E＝NE+δNE
其中：
-D1、D2和D5是在包括对流层伸长、相对效应等的f1、f2和f5处的发射机和接收机相位中心之间的几何传播距离。
-W是缠绕效应的贡献(以周期为单位)。
-e是在f1处以米为单位的电离层伸长。该伸长随着频率平方的取反以及相位和编码之间的异号而变化。
-Δh＝hi-hj是接收机i和发射机j的无电离层相位时钟之间的差。Δhp是用于伪距时钟的相对应的项。
-N′1、N′w和N′E分别是三个载波相位模糊度，N1、宽巷和超宽巷。通过定义，这些模糊度是整数。δN1、δNW、δNE数量也是整数值，为了技术目的(间隙搭桥能力将在说明书中进一步解释)引入。在例程模式下，这些数量被设置为0。
-ΔbP＝bpi-bP j是接收机i和发射机j的编码偏差之间的差，如在RTCM标准(论文055-2010-SC104-582“ssr_sv_orbit_clock_biases_4pm_SC104_v04”)中定义的。
-ΔLP＝Lpi-LP j是接收机i和发射机j的相位偏差之间的差，如在RTCM标准中定义的(Stage 2：“Satellite Phase Biases for RTCM STANDARD”10403.2DIFFERENTIAL GNSS(GLOBAL NAVIATION SATELLITE SYSTEMS)SERVICES-VERSION 3DEVELOPED BY RTCMSPECIAL COMMITTEE No.104FEBRURAY 1，2013B(阶段2：“针对RTCM标准的卫星相位偏差”10403.2差分GNSS(全球导航卫星系统)服务-由RTCM特别委员会NO.104)，2月1日，2013B开发的版本3)。
-一般而言，Δ运算符表示在接收机和发射机数量之间的差。在该模型中，每星座有一个接收机数量。使用来自单个接收机的测量将本发明与依赖于一个或多个参考接收机的方法和系统，例如差分GNSS系统，区分开。从而，本发明的观测模型在不需要到其他接收机的资源来消除卫星和接收机时钟偏差的情况下解决了载波模糊度。漫游者使用的模型可以使用校正，显而易见地，大气层校正来自处理中心，但是没有来自参考接收机的测量。
在滤波电路的输出处，确定伪距。
图3是根据其多个实施例用于实现本发明的方法的流程图。
在步骤310，确定接收机的位置的初始值。该初始值不需要以比100米更好的精度来确定，其在用于实现本发明的模型的线性域中。在本发明的实施例中，在每一计算步骤根据在第一频率(例如，E1)上的编码测量来计算该初始值。
基于在视野范围内的卫星的位置的平均值来计算第一位置。然后，在步骤330使用最小二乘法来调节该位置，其他卫星使用来自子信道的传播距离(步骤320)直到计算收敛。错误值可能被消除。
此外，所有测量向量被输入到滤波电路的观测模型中(步骤340)。在步骤350计算状态向量，包括编码和相位偏差的值、接收机时钟和载波相位模糊度。如在卡尔曼滤波器中典型地，然后计算残差、协方差矩阵和创新(步骤360)，以便产生估计的伪距(步骤370)并且可以调整滤波准则(步骤380)。
可以实现观测模型(卡尔曼滤波器或其他)的操作的其他种类的布置。例如，可以使用初始化的其他模式，例如根据其他传感器(例如，惯性导航系统)或使用地图来计算接收机的位置。
图4a和4b分别显示根据本发明一些实施例的观测模型的状态向量的一些参数的列表和测量模型的一些参数的列表。
通过示例的方式，在图4a上显示的观测模型(扩展的卡尔曼滤波器)的状态向量与本发明的实施例相对应，其具有能够跟踪GPS和GLONAS卫星的接收机。
接收机的位置和时钟(每星座一个)被定义为状态向量的变量。此外，包括针对每一星座的每一频率的编码和相位偏差。在本发明的实施例中，包括顶点对流层延迟并且还包括每卫星的电离层延迟。
然后，包括每卫星三个相位模糊度。在具有三个载波频率的情况下，它们可以有利地涉及：
-窄巷(N1)，其是c/(fi+fj)载波组合之一，其中，在GPS星座的情况下，i和j被选择为1和2，且在伽利略星座的情况下，针对E5a、E5b，i和j被选择为1和5a或5b；
-宽巷(Nw)，其是c/(fi-fj)载波组合之一，其中，在GPS星座的情况下，i和j被选择为1和2，且在伽利略星座的情况下，针对E5a、E5b，i和j被选择为1和5a或5b；
-超宽巷(NE)，其是c/(fi-fj)载波组合之一，其中，在GPS星座的情况下，i和j被选择为2和5，且在伽利略星座的情况下，针对E5a、E5b，i和j被选择为5a和5b。
可以使用P＝UDU′形式的卡尔曼滤波器的通用公式，其中U是上三角矩阵且D是方的对角矩阵。在解矩阵的更新之后是比尔曼算法(G.J.Bierman,“Measurement UpdatingUsing the U-D Factorization(使用U-D因子分解的测量更新)”，Automatica，第12卷，第4期，1976年7月，第375-382页)，尽管解的传播使用桑顿算法(C.L.Thornton，G.J.Bierman，“Gram-Schmidt Algorithm for Covariance Propagation(用于协方差传播的葛兰-施密特算法)”，International Journal of Control，第25卷，第2期，1977)。
滤波器的参数化有利地遵循上文针对图2描述的功能模型。卫星部分的功能模型量(位置、时钟、偏差)是已知的并且因而未被标识。仅在状态向量中估计接收机参数。因为实际的原因，在偏差中直接估计接收机时钟(hi＝0)。
当参数的转移矩阵等于单位矩阵时，滤波器的传播步骤可以相对简单。从而，该步骤仅仅在于在每一参数上添加对角模型噪声。
卡尔曼滤波器的校正步骤涉及在当前时代的模型化测量集。有利地，使用在图4b的表上显示的校正。
传播距离将有利地包括萨格纳克效应的估计。可以使用例程来模型化固体地球潮效应。例如，人们可以使用由国际地球旋转和参考系统服务(参考dehanttideinel.f,V.Dehant,IERS会议(2010))提供的例程。在“Effects of antenna orientation on GPScarrier phase(GPS载波相位上的天线旋转效应)，WU.J.T,Hajj G.A.,Bertiguer W.I,Lichten S.M,01/01/1993,1,Manuscripta Geodaetica，中公开了相位缠绕的模型。
由于使用适当的相位偏差RTCM消息，滤波器中的计算将保持模糊度的整数性质。利用引导程序方法来执行对整数模糊度的识别(“A Comparison of TCAR,CIR and LAMBDAGNSS Ambiguity Resolution(比较TCAR、CIR和LAMBDA GNSS模糊度解算)”，PeterTeunissen、Peter Joosten和Christian Tiberius，ION GPS 2002的论文集，波特兰，俄勒冈州)：在初始的先验修复之后，迭代地修复剩余的模糊度。该技术允许部分模糊度修复。为了便于实现估计过程，在级联方案中修复模糊度；首先是超宽巷Ne，然后是宽巷Nw，并且然后是N1。模糊度解算过程可以在每一时间点处重新开始，以避免维持错误的模糊度解决方案。
图5描绘了在本发明的一些实施例中三频GNSS接收机的收敛。
图上的曲线表示使用来自在视野范围内的四个GPS卫星的测量逐时间点地以厘米为单位的漫游者的位置精度。根据本发明，在接收机中具有三个频率的情况下，收敛时间低于5mn，而对于双频配置，收敛时间高于40分钟。
图6a和6b描绘了在本发明的一些实施例中RAIM的两个变形。
RAIM(接收机自主完整性监控)是用于在接收机级别处检测以及可能地排除错误测量的通用机制。一般而言，其基于测量冗余性。根据本发明，可以实现FDE(故障检测和排除)的多个变形。
简单RAIM：一般而言，当测量残差高于某一阈值610a时，检测错误测量。该阈值是取决于上下文的。例如，可以选择载波相位噪声的3个RMS(均方根)作为针对多个应用的阈值。这是大约5厘米的RMS。要注意的是，针对给定卫星在给定频率处针对每一载波应用RAIM过程，即，针对发送3个载波的在视野范围内的10个卫星，测量的数目是30。如在图6a中所描绘的，错误的测量620a会玷污其他残差630a且可能导致错的排除。这是执行迭代消除的原因：在每一次消除之后，计算新的解，包括新的残差。
高级RAIM：本发明的这一其他实施例的观点是基于如下观察的：给出更差残差的错误的测量630b，即，错误的测量的残差，可以不一定低于阈值(图6b)。
根据这一实施例，确定在一时间点来自所有在视野范围内的卫星的测量的列表作为用于排除的候选者(即，其残差高于定义的阈值)。然后，测试测量的所有组合(逐个地、然后两个两个地，等等)，直到找到一组合，在该组合中从测量的原始集收缩的测量的数目最小，且所有剩余的残差620b低于阈值610b。典型地，取决于接收机中可用的计算功率，用于排除的2或3个候选者将在精度和延迟之间获得较好的折中：太多的候选者将由于在组合的计算时间上的指数效应而增加延迟，而太少的候选者将不会相较于简单的RAIM算法改善结果。
如果在多个时间点上没有测量满足RAIM准则，则可以应用间隙搭桥过程，如针对图8、9a和9b在说明书中进一步描述的。
图7a和7b分别描绘了对图6a和6b的RAIM算法的两个变形的三频GNSS接收机的孤立点检测的影响。
当利用RAIM的两个变形实现本发明时，两幅图都显示关于在参考点的滑动的24小时滑动窗上在三个不同的方向(东北、垂直)上以厘米(纵坐标)为单位的位移。
图7a上的孤立点数目(即，在定义的置信带之外的测量)仍然较高，具有高的绝对值(超过10厘米)。要注意的是，由于在接收机处非常差的信号接收，该接收机的测量在此显示，所以，在没有任何RAIM机制的情况下，不计算导航解将是可能的。
在图7b上，RAIM计算基于上文针对图6b解释的高级RAIM方法。孤立点的数目和幅度的减小(所有值都低于10厘米)是非常明显的。三频带接收机无需实现这一改进。双频带接收机以及单频带接收机可以利用这一改进。但是，当然，与定义的RAIM阈值相对应的选择可用性对于更高数目的频带将更好。要注意的是，RAIM过程可以利用来自属于不同GNSS星座的卫星的信号来执行。
图8是在本发明的一些实施例中的间隙搭桥算法的流程图。
间隙搭桥是允许越过测量的间隙或在接收机的初始化上使用的技术。在间隙之前和之后，模糊度的集合可以完全不同。间隙的典型的持续时间是小于1分钟。一般而言，当接收机经过隧道或在桥下时，发生这一事件。
根据本发明，在间隙期间，接收机能够维护其一些内部状态(典型地，对流层和电离层)以确保快速重新收敛。此外，如果人们假设模糊度的跳跃具有整数值，则能够估计这些跳跃。但是，值得注意的是，这一功能不需要单个模糊度被估计为整数值。仅需要估计跳跃。由于滤波器的δN参数的估计和引导程序解算，特别是在上文针对图2进行评论的公式中，跳跃估计是可能的。要注意的是，可以使用具有宽巷信号和窄巷信号的引导程序利用每卫星两个载波来执行该过程。具体而言，这是该技术也对Glonass星座有效的原因。
在步骤810，执行根据图6a和6b的实施例之一的RAIM算法。在步骤820，接收机测试是否因为一些测量超过了针对置信区间的阈值集而已经排除了这些测量。如果为是，则在步骤830，使用具有δN1,δNW,δNE值的整数模糊度的引导程序计算来估计相位跳跃，其可以被认为是载波相位整数模糊度校正。在步骤840，然后，接收机测试是否一些未被修复的相位跳跃高于针对置信区间的阈值集。如果为是，则在步骤850重新初始化所有的模糊度。
图9a和9b描绘了使用图8的间隙搭桥算法的影响。
在图9a和9b上，每小时生成人工跳跃。
在图9a上，系统不使用电离层校正和相位跳跃估计。
在图9b上，实现图8的算法，即电离层校正和相位跳跃估计。可以看出，当实现间隙搭桥功能时在测量的精度方面没有置信损失，并且在每一人工跳跃之后迅速保护准确的测量。在任何情况中，当间隙的持续时间不是太长时，间隙搭桥处理的效率更好。
图10a和10b描绘了根据本发明一些实施例的多普勒平滑算法的影响。
一般而言，编码测量是有噪声的。具体而言，在单频解决方案中，这一噪声是可见的，其中仅利用相位测量来执行无电离层解决方案是不可能的。但是，由于多普勒测量，能够平滑这些编码测量。这一平滑的目的在于减小噪声而不是减小偏差。
利用应用在2个连续测量上的一阶滤波器在每一频率上独立地执行这一平滑：
其中：
CSt经平滑的编码测量(t)
Ct原始编码测量(t)
CS(t-dt)经平滑的编码测量(t-dt)
Dt多普勒测量(t)
Dt-dt多普勒测量(t-dt)
α平滑系数(0不平滑，0.95平滑)。
通过公式α＝e-1/τ，其中τ＝30s，α系数与滤波器的时间常数直接相关。
在图10a上，编码测量未被平滑，而在图10b上其被平滑。图上的三条曲线是沿着三个轴(垂直的、东、北)随着时间的测量的RMS(均方根)。在图10a的曲线上比在图10b的曲线上明显地存在更多的噪声。
本发明的这一改进可以应用于具有不同数目频带(1、2、3或甚至在未来更多)的接收机。
图11a、11b和11c描绘了在本发明的一些实施例中对时钟校正和测量的同步的三频GNSS接收机的收敛的影响。
在RTIGS框架中，准确的时钟校正是可用的。它们遵循RTCM约定且做了时间标记。为了执行精确的定位，这些时钟需要是最近的。根据本发明，实现新的机制以确保在时钟校正和测量时间之间的延迟不超过特定阈值(典型地为10-20秒)。可以在设置中修改这一延迟。其主要在于缓冲测量直到更新了时钟校正为止。这一功能允许减小该解决方案的短期噪声。
在图上显示的所有测量是在法兰克福(德国)的FFMJ站进行的。在每一幅图上显示了三条不同的曲线，其与在三个方向(垂直的、东、北)上的位置错误相关。在图11a上的曲线与其中校正与位置测量完全同步的情形(零延迟)相关。在图11b上，曲线与其中校正相对于位置测量具有25秒延迟的情形相关。在图11c上，曲线与其中校正相对于位置测量具有50秒延迟的情形相关。从图11a到图11b且到图11c测量噪声方面的增加在图中是显而易见的。
本发明的改进还可以应用于具有不同数目频带(1、2、3或甚至在未来更多)的接收机。
重要的是要注意到，本发明的接收机和方法是独立于星座和频率的。
出于对称的原因，对特定的星座或特定的频率没有偏好。在本发明的多个实施例中，例如，用户可以仅选择执行GLONASS上的PPP解决方案。此外，这允许计算导航解决方案，即使针对每一星座小于4个卫星在视野范围内(例如，3个GPS和2个Glonass)。
本发明的另一优点在于其多接收机特征允许一次处理整组接收机，具体而言，其对危险监控是有用的，其中大量的接收机位于网格中以检测地震。
由于本发明，较不复杂的接收机的用户将能够获得PPP。
图12是用于实现本发明的系统架构的示例的表示。
例如，可以使用从RTIG分析中心获得的数据来实现本发明，上述数据尤其包括针对GPS和Glonass(产品前缀CLK9x)的准确的轨道和时钟。这样的数据可以使用被称为“非差的模糊解算”的技术(参见《Integer Ambiguity Resolution on undifferenced GPSPhase measurements and its application to PPP and satellite precise orbitdetermination(关于非差GPS相位测量及其应用于PPP和卫星准确轨道确定的整数模糊度解算)》，上文已经引用)。该技术改进了针对IGS实时服务的时钟的内在质量。使用这些时钟允许对任何分离的“用户”接收机的模糊度解算，使得其能够实现1厘米水平精确点定位准确度。
该解决方案的示例的软件(PPP-向导)的形式是C++库。该软件与类似BNC(由德国联邦的制图和大地测量局开发的BKG Ntrip客户端)或RTKLIB(实时运动学库)的其他可用软件兼容。轨道和时钟校正主要来自RTCM(实时流)，但是软件也能够处理SBAS校正。根据本发明的三频实现中的模糊度解算将是软件的关键特征。
为了与BNC兼容，核心PPP模块被实现为库并且遵守RTRover接口：这允许将该模块与BNC直接链接。此外，该接口还可以使用可观察量和校正的RTCM流来输入。在该情况下，由于RTKLIB库[RTKLIB]执行流的解码。也使用RTKLIB的单独的模块负责流获取。按照这一方式，可以将流导向到PPP模块或进行存储以用于进一步重放。
图13是用于实现本发明的PPP核心模块的流程图的表示。
RTRover接口允许向模块呈现不同的输入：
-可观测量
-广播
-校正
-偏差
-大气量
然后，调用接口的计算步骤。该步骤执行以下任务：
–计算初始粗糙点
-状态向量的传播步骤
-根据测量模型，计算残差
-状态向量的估计步骤
最终，计算步骤输出解。该解由接收机的位置以及电离层延迟和相关联的协方差组成。
在本说明书中公开的示例仅仅说明了本发明的一些实施例。其不以任何方式限制所述发明的范围，该发明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种GNSS定位信号的接收机(110)，包括：
信号处理信道的N-联体(210、21n)，N联体中的每一信号处理信道(211、212、213)被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路(2111，2112)，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-一个或多个滤波电路(230)，其被配置用于在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；
其中：
-N是等于或大于2的整数；
-所述观测模型：
·接收包括所述信号处理信道的N联体的跟踪电路的传播距离值输出的测量向量(220)作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，所述载波相位模糊度中的一个或多个表征了从N个不同载波中选择的载波组合，以及
·不接收从参考接收机发送的测量作为输入。
2.根据权利要求1所述的接收机，其中N等于或大于3，并且所述状态向量中的载波相位模糊度表征了N个载波中的宽巷和超宽巷组合中的一个。
3.根据权利要求2所述的接收机，其中所述状态向量包括表示第一频率载波、宽巷和超宽巷的载波相位模糊度的变量，并且所述观测模型包括从超宽巷载波开始在每一时间间隔处解算模糊度的引导程序计算。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的接收机，其中所述观测模型进一步接收萨格纳克效应、固体地球潮汐效应、相位缠绕效应、电离层误差、对流层误差、轨道误差以及相对误差中的一个的校正作为输入。
5.根据权利要求4所述的接收机，其中所述观测模型接收由当地气象先验调制的电离层误差和对流层误差的校正作为输入。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的接收机，其中所述观测模型使用在所述接收机和在视野范围内的多个卫星之间的伪距的平均值作为所述接收机的初始位置。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的接收机，其中所述观测模型使用协方差矩阵，所述协方差矩阵是使用比尔曼算法进行更新的并且使用桑顿算法进行传播的。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的接收机，其中所述测量向量和所述状态向量包括来自多个卫星的数据，所述多个卫星中的至少两个属于两个不同的星座。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的接收机，其中如果在所述跟踪电路的输出处的测量值对于预测值的残差高于第一预定阈值，则将所述测量值从所述测量向量过滤掉。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的接收机，其中在将在所述跟踪电路的输出处的测量值的组合从所述测量向量迭代过滤掉之后，如果测量值对于预测值的残差低于第二预定阈值且测量值的数目最大，则将所述测量值保持在所述测量向量中。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的接收机，其中所述状态向量进一步包括整数相位载波跳跃，每一整数相位载波跳跃用于测试在信号损失之后载波相位模糊度的初始值。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的接收机，其中使用由编码测量调制的载波的多普勒测量在一阶滤波器中对在所述跟踪电路和所述滤波电路中使用的编码测量进行平滑。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的接收机，其中所述观测模型每次将与所述卫星的时钟的时间差小于预设值的测量考虑在内。
14.一种定位GNSS信号的接收机的方法，包括：
-获取在信号处理信道处的GNSS信号的N联体，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；
其中：
-N是等于或大于2的整数；
-所述观测模型：
·接收包括N个信号处理信道的跟踪电路的传播距离值输出的测量向量作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，所述载波相位模糊度中的至少一个表征了从N个不同载波中选择的载波组合；并且
·不接收直接来自参考接收机的任何测量作为输入。
15.一种用于定位GNSS信号的接收机的计算机程序，包括：
-被配置为在信号处理信道的N联体处获取GNSS信号的N联体的计算机代码指令，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-被配置为在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值的计算机代码指令；
其中
-N是等于或大于2的整数；
-所述观测模型：
·接收包括信号处理信道的N联体的跟踪电路的传播距离值输出的测量向量作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，所述载波相位模糊度中的至少一个表征了从N个不同载波中选择的载波组合，并且
-不接收直接来自参考接收机的任何测量作为输入。

Claims (15)

1.一种GNSS定位信号的接收机(110)，包括：
信号处理信道的N-联体(210、21n)，N联体中的每一信号处理信道(211、212、213)被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路(2111，2112)，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-一个或多个滤波电路(2330)，其被配置用于在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；
其中N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型：
-接收包括所述信号处理信道的N联体的跟踪电路的值输出的测量向量(220)作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度表征了从N个不同载波中选择的载波和载波组合中的一个，以及
-不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
2.根据权利要求1所述的接收机，其中N等于或大于3，并且所述状态向量中的载波相位模糊度表征了N个载波中的宽巷和超宽巷组合中的一个。
3.根据权利要求2所述的接收机，其中所述状态向量包括表示第一频率载波、宽巷和超宽巷的载波相位模糊度的变量，并且所述观测模型包括从超宽巷载波开始在每一时间间隔处解算模糊度的引导程序计算。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的接收机，其中所述观测模型进一步接收萨格纳克效应、固体地球潮汐效应、相位缠绕效应、电离层误差、对流层误差、轨道误差以及相对误差中的一个的校正作为输入。
5.根据权利要求4所述的接收机，其中所述观测模型接收由当地气象先验调制的电离层误差和对流层误差的校正作为输入。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的接收机，其中所述观测模型使用在所述接收机和在视野范围内的多个卫星之间的伪距的平均值作为所述接收机的初始位置。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的接收机，其中所述观测模型使用协方差矩阵，所述协方差矩阵是使用比尔曼算法进行更新的并且是使用桑顿算法进行传播的。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的接收机，其中所述测量向量和所述状态向量包括来自多个卫星的数据，所述多个卫星中的至少两个属于两个不同的星座。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的接收机，其中如果在所述跟踪电路的输出处的测量值对于预测值的残差高于第一预定阈值，则将所述测量值从所述测量向量过滤掉。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的接收机，其中在将在所述跟踪电路的输出处的测量值的组合从所述测量向量迭代过滤掉之后，如果测量值对于预测值的残差低于第二预定阈值且测量值的数目最大，则将所述测量值保持在所述测量向量中。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的接收机，其中所述状态向量进一步包括整数相位载波跳跃，每一整数相位载波跳跃用于测试在信号损失之后载波相位模糊度的初始值。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的接收机，其中使用由编码测量调制的载波的多普勒测量在一阶滤波器中对在所述跟踪电路和所述滤波电路中使用的编码测量进行平滑。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的接收机，其中所述观测模型每次将与所述卫星的时钟的时间差小于预设值的测量考虑在内。
14.一种定位GNSS信号的接收机的方法，包括：
-获取在信号处理信道处的GNSS信号的N联体，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值；
其中，N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型：
-接收包括N个信号处理信道的跟踪电路的值输出的测量向量作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度表征了从N个不同载波中选择的载波和载波组合中的一个；并且
-不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
15.一种用于定位GNSS信号的接收机的计算机程序，包括：
-被配置为在信号处理信道的N联体处获取GNSS信号的N联体的计算机代码指令，N联体中的每一信号处理信道被配置为获取并跟踪由卫星在N个不同载波上发射的定位信号，并且所述N联体中的每一信号处理信道包括被配置用于在N个载波中的一个的给定频率处跟踪编码和载波信号的跟踪电路，所述跟踪产生包括在所述给定频率处在所述接收机和所述卫星之间的传播距离值的输出；
-被配置为在一个或多个滤波电路处在观测模型的输出处计算针对所述卫星的预测伪距值和预测相位值的计算机代码指令；
其中N是等于或大于2的整数，并且所述观测模型：
-接收包括信号处理信道的N联体的跟踪电路的值输出的测量向量作为输入，并且使用包括接收机位置值、接收机时钟值、针对该接收机的编码和相位偏差以及载波相位模糊度的状态向量来产生其输出，每一载波相位模糊度表征了从N个不同载波中选择的载波和载波组合中的一个，并且
-不接收从另一接收机发送的测量作为输入。
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