CN111323801A - 卫星定位模块及其定位方法 - Google Patents

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CN111323801A CN201910069096.XA CN201910069096A CN111323801A CN 111323801 A CN111323801 A CN 111323801A CN 201910069096 A CN201910069096 A CN 201910069096A CN 111323801 A CN111323801 A CN 111323801A
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Abstract

本发明公开一种卫星定位模块及其定位方法，该卫星定位模块包括：一接收电路，用以接收来自多个卫星的多个卫星信号；以及一运算处理器，其连接该接收电路，其经配置以执行：依据该多个卫星信号执行运算以取得一仰角标准差；依据该仰角标准差执行运算以取得一仰角遮罩值；依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及依据该定位算法进行定位以取得一位置信息。

Description

卫星定位模块及其定位方法
技术领域
本公开涉及一种定位系统，尤其涉及一种卫星定位模块及其定位方法。
背景技术
近年来随着自驾车技术快速发展，高精度的定位需求也与日俱增，然而， 因卫星和地面接收器之间存在卫星轨道误差、时钟误差、电离层误差、对流 层误差及多径误差(multipath error)等干扰因素，使得卫星定位精度往往受到影 响，其中，卫星轨道误差、时钟误差、电离层误差、对流层等共性误差可借 由差分定位系统的校正技术而排除，然而，因参考站和移动站位在不同地点， 所受到的多路径影响并不相同，使得多路径效应造成的定位误差无法借由差 分定位方式获得有效改善。再者，因市区里分布诸多建筑物、树木等阻碍物 对卫星信号产生遮蔽效应(shadowing effect)，不但容易造成当车辆行驶在市区期间，根据载波相位测量值的差分运算过程发生信号中断(signal outage)，并 且，在信号完全恢复而重新取得精确的周波固定解(fixed)之前存在浮点解 (float)的时间偏长，造成卫星信号质量变差及定位延迟的问题。
据此，考虑在抑制多路径或遮蔽效应所造成的误差问题，业界一般的做 法是在接收器端进行定位解算前对卫星信号质量预先进行筛选，以获得一定 程度的改善，使得周波固定解的比率提高，进而改善卫星定位精度及速度， 其中，目前常用的方式包括对仰角(Elevation angle，简称El)或对信噪比 (Signal-to-noise ratio，简称SNR)设定一筛选基准值来过滤卫星，其中，针对 仰角的筛选方式是将低于一截止仰角(例如15°以下)的卫星剔除，使之不参与 定位解算，详言之，由于仰角较低的卫星通常较容易受到多路径效应影响， 故此方法对改善多径误差能产生一定的效果。另一方面，针对信噪比的筛选 方式则是将低信噪比(例如35dB以下)的卫星剔除或者在定位解算中赋予较低 的权重，该种方式同样也能用于抑制多路径效应。
虽如上述，可通过对仰角或信噪比设定基准以筛选出信号质量较佳的卫 星参与定位解算以提高车辆的定位精度，然而，因目前技术所采用的筛选方 式是以固定仰角或固定信噪比作为筛选基准，但随车辆的移动而环境不断改 变的情况下，此种方式极缺乏调整弹性，无法即时反映环境的变化而对卫星 信号作适当调整，导致当车辆行驶在某些障碍物较密集的区域(例如市区)， 可能因过于宽松的筛选条件而无法有效剃除信号质量不佳的卫星，进而影响 定位效能，相对地，当车辆行驶在空旷的区域时(例如郊区)，却可能因为过于严格的筛选条件而剃除了信号质量尚佳的卫星，使得参与定位解算的卫星 数量过少，牺牲了原本应有的定位精度。此外，如无法随环境改变而提供车 辆快速且精确的定位，将可能在未来的自动车应用上造成安全问题。
因此，如何因应环境改变而适时地调整卫星的筛选条件，以达到提高定 位妥善率(Fixed ratio)、改善定位精度，甚至使定位精度达到车道等级，实已 成目前亟欲解决的课题。
发明内容
本公开的一实施例提供一种卫星定位模块及其定位方法，以解决现有技 术无法即时反映环境变化而影响车辆定位的问题。
本公开的卫星定位模块，包括：接收电路，其用以接收来自多个卫星的 多个卫星信号；以及运算处理器，其连接该接收电路，其经配置以执行：依 据该多个卫星信号执行运算以取得仰角标准差；依据该仰角标准差执行运算 以取得仰角遮罩值；依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值的卫星 的卫星信号以进行定位算法；以及依据该定位算法进行定位以取得位置信息。
本公开的另一实施例提供一种卫星定位方法，其包括：接收来自多个卫 星的卫星信号；依据该多个卫星信号执行运算以取得仰角标准差；依据该仰 角标准差执行运算以取得仰角遮罩值；依据该多个卫星信号选择仰角大于该 仰角遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及依据该定位算法进行定 位以取得位置信息。
由上可知，本公开的卫星定位模块及其定位方法通过将仰角及信噪比标 准差分别列入仰角及信噪比筛选条件的计算，以将车辆所在的环境因素列入 卫星筛选的标准中，借由选择出最符合当下环境且信号质量佳的卫星进行定 位算法以达到快速且高质量的定位功效，据以解决现有技术无法即时反映环 境变化而影响车辆定位的问题。
附图说明
图1为本公开的卫星定位模块的方块示意图；
图2为以现有技术的定位方法所测得的定位轨迹；
图3为对应于图2的定位轨迹的位置标准差；
图4为应用本公开的卫星定位模块所测得的定位轨迹；
图5为对应于图4的定位轨迹的位置标准差；以及
图6为根据本公开的卫星定位方法的流程图。
符号说明
1 定位模块
2 载具
10 接收电路
11 运算处理器
20 卫星
S61～S65 步骤。
具体实施方式
以下借由特定的具体实施例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可 由本说明书所揭示的内容轻易地了解本公开的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明 书所揭示的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本公开 可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系 的改变或大小的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下， 均应仍落在本公开所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中 所引用的如“上”、“第一”、“第二”及“一”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而 非用以限定本公开可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本公开可实施的范围。
请参阅图1，为本公开的卫星定位模块1的方块示意图。
如图1所示，本公开的示范性实施例的该卫星定位模块1包括：一接收 电路10及一运算处理器11，该接收电路10用以接收来自多个卫星20的多 个卫星信号，该运算处理器11连接该接收电路，其中，该运算处理器11经 配置以执行下列步骤，包括：依据该多个卫星信号执行运算以取得一仰角标 准差，依据该仰角标准差执行运算以取得一仰角遮罩值，依据该多个卫星信 号选择仰角大于该仰角遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法，以及根据 该定位算法进行定位以取得位置信息(如经纬度数据或XYZ轴数据)。另外， 本公开的卫星定位模块1可应用于如车辆的载具2上。
请同时参考如下表1，其是用于说明借由本公开的卫星定位模块1进行 卫星选择的一示范性实施例。
No. Eln SNRn Eln/Elmax SNRn/SNRmax fn Var_Eln Var_SNRn
1 30 37 0.5 0.880952381 1.380952 225 0.020408
2 14 25 0.233333 0.595238095 0.828571 961 147.449
3 50 38 0.833333 0.904761905 1.738095 25 0.734694
4 60 41 1 0.976190476 1.97619 225 14.87755
5 55 40 0.916667 0.952380952 1.869048 100 8.163265
6 58 42 0.966667 1 1.966667 169 23.59184
7 44 33 0.733333 0.785714286 1.519048 1 17.16327
8 18 29 0.3 0.69047619 0.990476 729 66.30612
表1
以表1为例，卫星定位模块1的接收电路10一开始共接收到八颗卫星 20(No.1～No.8)的卫星信号，并将该多个卫星信号传送至运算处理器11，其 中，第n颗卫星的卫星信号至少包括该颗卫星的仰角Eln及信噪比SNRn等数 据，例如，在表1中，第3颗卫星的仰角El3为50度，第5颗卫星的信噪比 SNR5为40dB。
该运算处理器11在接收到八颗卫星的卫星信号后，随即计算出一对应于 各该卫星信号的质量指标fn，该质量指标fn用于评估各该卫星的仰角及信噪 比的质量。具体而言，首先，该运算处理器11先从八颗卫星里分别找出仰角 最大(以Elmax表示)及信噪比最大(以SNRmax表示)的卫星以作为质量评估基 准，表1中，第4颗卫星的仰角最大，故Elmax等于60，第6颗卫星的信噪比 最大，故SNRmax为42dB。
该运算处理器11再分别将其余卫星各自的仰角Eln、信噪比SNRn分别和 Elmax、SNRmax比较，以计算出各颗卫星的仰角质量因子 Eln/Elmax、信噪比质 量因子SNRn/SNRmax以及以用于综合评估各该卫星信号的质量指标fn如下：
Figure RE-GDA0002051465650000051
根据各颗卫星的质量指标fn计算结果，该运算处理器11找出第2颗卫 星的fn值最低，故以El2作为仰角初始遮罩值Elini，并以SNR2作为信噪比初 始遮罩值SNRini，据此，仰角初始遮罩值Elini为14，信噪比初始遮罩值SNRini为25。
接着，该运算处理器11借由下式分别计算出用于筛选卫星的仰角标准差 ElSD及信噪比标准差SNRSD，其中Mean(El)与Mean(SNR)分别代表该八颗卫 星的仰角、信噪比的平均值(以表1为例，Mean(El)为41.125，Mean(SNR)为 35.625)：
Figure BDA0001956679360000052
Figure BDA0001956679360000053
根据计算结果，仰角标准差ElSD为17.4463，信噪比标准差SNRSD为 5.89816，分别代表该八颗卫星的仰角、信噪比的变动程度，本公开中，ElSD、 SNRSD的大小视随车辆行驶环境变化而改变。
接着，该运算处理器11将仰角初始遮罩值Elini加上该仰角标准差ElSD以 计算出一仰角遮罩值Elmask，同样地，也将信噪比初始遮罩值SNRini加上该信 噪比标准差SNRSD以计算出一信噪比遮罩值SNRmask，以表1为例，经计算 后，该仰角遮罩值Elmask为31.4463度，信噪比遮罩值SNRmask为30.89816dB。 如上所述，由于仰角或信噪比的标准差变化随环境不同而变动，故本公开以 该仰角遮罩值Elmask和/或信噪比遮罩值SNRmask对卫星进行筛选，并以筛选后 的卫星信号所载的数据进行定位算法。
进一步而言，本公开的一实施例可单独根据仰角遮罩值Elmask筛选出仰角 较高的卫星以参与定位算法，在另一实施例中，也可单独根据信噪比遮罩值 SNRmask以筛选出信噪比较高的卫星以进行定位，此外，在本公开的其他实施 例中，更可同时结合该仰角遮罩值Elmask及该信噪比遮罩值SNRmask以筛选出 仰角及信噪比皆佳的卫星以进行定位。举例而言，如同时以Elmask为31.4463 度且信噪比遮罩值SNRmask为30.89816dB作为筛选标准，则第2、8颗卫星皆 会被剃除，最后，该运算处理器11是采用第1、3、4、5、6及7颗卫星信号 进行后续的定位算法。
另一方面，当车辆所在环境的遮蔽或多路径效应影响变大，以致卫星信 号的仰角标准差ElSD及信噪比标准差SNRSD亦随之变大，最后因造成仰角遮 罩值Elmask、信噪比遮罩值SNRmask过大，使得筛选出的卫星数量已不能满足 定位算法的可执行条件时，例如执行定位算法所需的卫星最少数量时，例如， 当车辆行驶至建筑物较高且较密集的市区而使卫星信号强度变弱且波动变大 时，由于为确保车辆仍能保有基本的定位功能，在此情况下，该运算处理器 11将暂时放宽筛选标准而使参与定位算法的卫星数量可达到最少的需求数量以满足定位算法的可执行条件，举例而言，在全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)中，接收端至少需要根据四颗卫星信号才能进行定位算 法，然而，当卫星数量不足时即无法解算出所有定位参数(包含三维空间坐标、 时间参数)，以致无法借由定位算法取得车辆的位置信息，如经纬度数据或 XYZ轴数据，因此，该运算处理器11将暂时放宽仰角遮罩值Elmask、信噪比 遮罩值SNRmask以满足定位算法的可执行条件，例如，暂时不将仰角标准差 ElSD、信噪比标准差SNRSD列入仰角遮罩值Elmask、信噪比遮罩值SNRmask的 计算，直接采用仰角初始遮罩值Elini、信噪比初始遮罩值SNRini作为仰角遮 罩值Elmask、信噪比遮罩值SNRmask，以暂时提高参与定位的卫星数量，另一 方面，也可分别对仰角标准差ElSD、信噪比标准差SNRSD设置一上限值，当 该运算处理器11判断出ElSD、SNRSD超过各自的上限值后，即改以初始遮罩 值Elini、SNRini分别作为Elmask、SNRmask筛选卫星，该运算处理器11可依上 述各种方式放宽卫星筛选标准以满足定位算法的可执行条件(例如需至少4 颗卫星才能进行车辆定位)，直到车辆行驶到其他环境而使卫星信号的仰角标 准差ElSD、信噪比标准差SNRSD再度变小，再重新将仰角标准差ElSD、信噪 比标准差SNRSD列入仰角遮罩值Elmask、信噪比遮罩值SNRmask的计算以恢 复原本的筛选方式，然而，因本公开的卫星定位模块1可适用在于各种不同 的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)中，例如： 俄国的格罗纳斯系统(GLONASS System)、欧盟的伽利略系统(Galileo System)或中国的北斗系统(BeiDou System)或由上述各系统进一步延伸的定位系统， 故上述的示范性实施例是以4颗卫星作为例示说明，随定位系统改变而定位 所需的卫星数量改变时，例如最少卫星数量为5颗以上，亦能适用本公开的 该卫星定位模块1，故本公开并不以上述实施例为限。
请参阅图2及图3，其中，图2是以现有技术的定位方法所测得的定位 轨迹，图3为对应于图2的定位轨迹的定位标准差。
如第2及图3所示，是以目前技术一般的设定参数，即：仰角遮罩值固 定为15度，且信噪比遮罩值固定为35dB，并采用即时动态定位技术(Real Time Kinematic，简称RTK)测试车辆往返地下道、高速公路及市区一趟(对应于图 2从右到左侧，再从左折返至右侧的全部移动轨迹)的定位轨迹及定位标准差， 如图2所示，在统计区间内，可看出车辆行驶出地下道后有一段时间的定位 信号状态为float，经一段时间后才转为fixed(i.e.收到精确的周波N值)， 目前技术中，需9-12秒才能从float变为fixed，此图的x轴为经度、y轴为 纬度，经度、纬度共同构成的轨迹即为车辆当下的位置，在车辆来回开一趟 的整个统计区间内，fixed时间占29％、float时间占62％，同时，如图3所示， 位置标准差最大可达27.8m，平均值为0.85m。
请参阅图4及图5，其中，图4是应用本公开的卫星定位模块1所测得 的定位轨迹，图5为对应于图4的定位轨迹的定位标准差。
如图4及图5所示，为比较在同一时间、同一环境下同样采用RTK定位 的结果，图4及图5为将本公开的定位模块1应用于上述图2及图3测试的 原始数据(raw data)，如图4所示，在应用本公开的卫星定位模块1后，fixed 所占时间的比率提升至68％、float比率减少为23％，其中，fixed比率的提升 代表解到周波N值的机会提高，跳到float的机会减小，据此，可明确看出本 公开的定位技术可因应环境的变化而筛选出当下信号质量较佳的卫星进行定 位，故因定位信号佳的时间变长，并且，从图5中也可看出位置标准差相较 于图3更小，最大只有14.6m，平均为0.25m。
应注意的是，本公开不仅适用于上述例示说明的RTK相对定位法，也可 适用于精密单点定位(precise point positioning，PPP)的单点定位或其他定位技 术，其中，当本公开结合RTK、PPP定位技术时可进一步提高定位精度以达 到厘米等级。
另请参阅图6，其为本公开通过前述的卫星定位模块1而实施的卫星定 位方法，包括：借由该接收电路10接收来自多个卫星20的卫星信号(步骤S61)，再以该运算处理器11依据该多个卫星信号执行运算以取得一仰角标准 差ElSD(步骤S62)，接着，再依据该仰角标准差ElSD执行运算以取得一仰角遮 罩值Elmask(步骤S63)，然后，依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩 值的卫星的卫星信号以进行定位算法(步骤S64)，最后，借由该定位算法进行 定位以取得一车辆的位置信息(步骤S65)。
综上所述，本公开的卫星定位模块及其定位方法通过将仰角及信噪比标 准差分别列入仰角及信噪比筛选条件的计算，以将车辆所在的环境因素列入 卫星筛选的标准中，借由选择出最符合当下环境且信号质量佳的卫星以进行 定位算法以达到快速且高质量的定位功效，据以解决现有技术无法即时反映 环境变化而影响车辆定位的问题。
上述实施例仅用以例示性说明本公开的原理及其功效，而非用于限制本 公开。本领域技术人员均可在不违背本公开的精神及范围下，对上述实施例 进行修改。因此本公开的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (18)

1.一种卫星定位模块，其特征在于，包括：
接收电路，其用以接收来自多个卫星的多个卫星信号；以及
运算处理器，其连接该接收电路，其经配置以执行：
依据该多个卫星信号执行运算以取得仰角标准差；
依据该仰角标准差执行运算以取得仰角遮罩值；
依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及
依据该定位算法进行定位以取得位置信息。
2.根据权利要求1所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器依据该仰角标准差执行运算以取得该仰角遮罩值的步骤还包括：依据对应于各该卫星的质量指标选择仰角初始遮罩值，并以该仰角初始遮罩值及该仰角标准差的和作为该仰角遮罩值。
3.根据权利要求2所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器还进一步判断依据该仰角遮罩值选择出来的卫星数量是否满足定位算法的可执行条件，在被选择的卫星的数量满足定位算法的可执行条件时，以该仰角遮罩值选择卫星，在被选择的卫星的数量不满足定位算法的可执行条件时，以该仰角初始遮罩值选择卫星。
4.根据权利要求2所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置进一步执行依据上限值对该仰角标准差执行运算，并且当该仰角标准差超过该上限值时，依据该仰角初始遮罩值选择卫星。
5.根据权利要求1所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置还执行：
依据该多个卫星信号运算以取得信噪比标准差；
依据该信杂比标准差运算以取得信噪比遮罩值；
依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值且信噪比大于该信噪比遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及
依据该定位算法进行定位以取得位置信息。
6.根据权利要求5所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置以依据对应于各该卫星的质量指标选择信噪比初始遮罩值，并以该信噪比初始遮罩值及该信噪比标准差的和作为该信噪比遮罩值。
7.根据权利要求6所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置还进一步执行判断该信噪比遮罩值选择出来的卫星的数量是否满足定位算法的可执行条件，在被选择的卫星的数量满足定位算法的可执行条件时，以该信噪比遮罩值选择卫星，在被选择的卫星的数量不满足定位算法的可执行条件时，以该信噪比初始遮罩值选择卫星。
8.根据权利要求6所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置进一步依据上限值对该信噪比标准差执行运算，当该信噪比标准差超过该上限值时，以该信噪比初始遮罩值选择卫星。
9.根据权利要求2或6所述的卫星定位模块，其特征在于，该运算处理器经配置以计算各该卫星的仰角质量因子与信噪比质量因子的和以作为各卫星的质量指标，其中，该仰角质量因子为各该卫星的仰角相对于该多个卫星最大仰角的比值，并且该信噪比质量因子为各该卫星的信噪比相对于该多个卫星最大信噪比的比值。
10.一种卫星定位方法，其特征在于，包括：
接收来自多个卫星的卫星信号；
依据该多个卫星信号执行运算以取得仰角标准差；
依据该仰角标准差执行运算以取得仰角遮罩值；
依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及
依据该定位算法进行定位以取得位置信息。
11.根据权利要求10所述的卫星定位方法，其特征在于，依据该仰角标准差执行运算以取得该仰角遮罩值的步骤还包括：依据对应于各该卫星的质量指标选择仰角初始遮罩值，并以该仰角初始遮罩值及该仰角标准差的和作为该仰角遮罩值。
12.根据权利要求11所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法还包括判断依据该仰角遮罩值选择出来的卫星数量是否满足定位算法的可执行条件，在被选择的卫星的数量满足定位算法的可执行条件时，以该仰角遮罩值选择卫星，在被选择的卫星的数量不满足定位算法的可执行条件时，以该仰角初始遮罩值选择卫星。
13.根据权利要求11所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法还包括依据上限值对该仰角标准差执行运算，并且当该仰角标准差超过该上限值时，依据该仰角初始遮罩值选择卫星。
14.根据权利要求10所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法包括：
依据该多个卫星信号运算以取得信噪比标准差；
依据该信杂比标准差运算以取得信噪比遮罩值；
依据该多个卫星信号选择仰角大于该仰角遮罩值且信噪比大于该信噪比遮罩值的卫星的卫星信号以进行定位算法；以及
依据该定位算法进行定位以取得位置信息。
15.根据权利要求14所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法还包括：依据对应于各该卫星的质量指标选择信噪比初始遮罩值，并以该信噪比初始遮罩值及该信噪比标准差的和作为该信噪比遮罩值。
16.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法还包括判断该信噪比遮罩值选择出来的卫星的数量是否满足定位算法的可执行条件，在被选择的卫星的数量满足定位算法的可执行条件时，以该信噪比遮罩值选择卫星，在被选择的卫星的数量不满足定位算法的可执行条件时，以该信噪比初始遮罩值选择卫星。
17.根据权利要求15所述的卫星定位方法，其特征在于，该方法还包括对依据上限值对该信噪比标准差执行运算，当该信噪比标准差超过该上限值时，以该信噪比初始遮罩值选择卫星。
18.根据权利要求11或15所述的卫星定位方法，其特征在于，以各该卫星的仰角质量因子与信噪比质量因子的和作为各卫星的质量指标，该仰角质量因子为各该卫星的仰角相对于该多个卫星最大仰角的比值，并且该信噪比质量因子为各该卫星的信噪比相对于该多个卫星最大信噪比的比值。
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