CN112114337B - 用于计算速度和对地航向的保护水平的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于计算速度和对地航向的保护水平的系统和方法。具体地，GNSS接收器可以基于从至少五个GNSS卫星接收的卫星信号获得多普勒测量值和方差测量值。GNSS接收器可以利用最小二乘法来计算GNSS接收器的速度状态(例如，x‑速度状态、y‑速度状态和z‑速度状态)和时钟偏差。GNSS接收器可以计算各个多普勒测量值对各个速度状态的斜率。然后GNSS接收器可以选择针对各个速度状态的最大斜率，并通过非中心参数按比例放大最大斜率以计算ECEF坐标系中各个速度状态的保护水平。GNSS接收器可以将速度保护水平转换为NEU速度保护水平，以随后计算对地航向的保护水平。

Description

用于计算速度和对地航向的保护水平的系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及全球导航卫星系统(GNSS)，尤其涉及用于计算在GNSS接收器处计算的速度和对地航向(course over ground)的保护水平(protection level)的系统和方法。
背景技术
在传统方法中，所计算的速度标准偏差可以表示速度准确度的质量估计。然而，标准偏差在速度准确度方面仅提供68％的可靠性。因此，通常需要大约99％或更高可靠性的新兴汽车子系统(诸如，自动驾驶系统(ADS)和高级驾驶员辅助系统(ADAS))无法使用在GNSS接收器处计算/获得的速度和/或其它相关值(例如，对地航向)。
发明内容
提供了用于计算速度和对地航向的保护水平的技术。在一个实施方式中，全球导航卫星系统(GNSS)接收器利用相位距离速率测量值(多普勒测量值)和方差测量值来计算GNSS接收器处计算的速度(即，估计的速度)和对地航向的保护水平。
具体地，GNSS接收器可从至少五个GNSS卫星接收卫星信号。然后GNSS接收器可以以已知的方式基于接收的卫星信号获得多普勒测量值(即，观测值)。GNSS接收器还可以以已知方式并基于接收的卫星信号来获得方差测量值，所述方差测量值指示对各个多普勒测量值的测量精度。
GNSS接收器可以基于方差测量值计算权重(W)矩阵。具体地，W矩阵可以是包括方差测量值的倒数的对角矩阵。GNSS接收器可以计算表示多普勒测量值与GNSS接收器处计算的速度之间的关系的成形(G)矩阵。G矩阵是所计算的发送卫星信号的各个GNSS卫星的方向余弦，GNSS接收器104根据所述卫星信号获得多普勒测量值。
GNSS接收器可以利用最小二乘法以及W矩阵、G矩阵和多普勒测量值(例如，D×1大小的矩阵，其中，D等于多普勒测量值的数量)来计算GNSS接收器的速度状态(例如，x-速度状态、y-速度状态和z-速度状态)和时钟偏差。GNSS接收器可以计算各个多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的斜率(slope)，其中针对特定多普勒测量值计算的斜率表示该特定多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的影响有多强烈。
然后，GNSS接收器可以针对各个速度状态(例如，x-速度状态、y-速度状态和z-速度状态)和时钟偏差选择最大斜率，其中，最大斜率与最强烈地影响速度状态和时钟偏差的多普勒测量值相关联。GNSS接收器可以基于冗余值(例如，多普勒测量值的数量-四个未知量)从表中选择非中心参数，其中，所述表可以利用已知卡方分布方法来生成。
GNSS接收器可以通过基于所选择的非中心参数按比例放大(scale up)各个速度状态的最大斜率来计算地心地固(ECEF)坐标系中各个速度状态的保护水平。GNSS接收器可以利用基于GNSS接收器的位置(例如，经度和纬度)计算的旋转矩阵将ECEF坐标系中计算出的速度保护水平转换为北向、东向和向上(NEU)速度保护水平。GNSS接收器可以利用北向速度、东向速度、针对北向速度的保护水平以及针对东向速度的保护水平将北向速度保护水平和东向速度保护水平转换为对地航向保护水平。
然后，GNSS接收器可以将一个或更多个保护水平(例如，北向保护水平、东向保护水平、向上保护水平和对地航向保护水平)发送到子系统，诸如自动驾驶系统(ADS)或高级驾驶员辅助系统(ADAS)。子系统可将这些保护水平与一个或更多个警报限制进行比较，以确定在GNSS接收器处计算的速度值和/或对地航向值是否可由子系统利用。当与GNSS接收器处计算的特定值(例如，速度或对地航向)相关联的保护水平不超过警报限制时，子系统可在安全关键环境中利用该特定值。有利地，当根据本文描述的一个或更多个实施方式计算的保护水平不超过警报限制时，通常在所计算的值的准确度方面要求大约99％或更高可靠性的子系统可以利用速度和/或对地航向。
附图说明
以下描述参考附图，其中：
图1示出了根据本文描述的一个或更多个实施方式的系统；
图2A和图2B是根据本文描述的一个或更多个实施方式的计算和利用速度和对地航向的保护水平的流程图；
图3A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的所计算的速度的保护水平的图；
图3B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的所计算的对地航向的保护水平的图；
图4A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的超过警报限制的速度的保护水平的图；
图4B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的不超过警报限制的速度的保护水平的示图；
图5A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的超过警报限制的对地航向的保护水平的图；以及
图5B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的不超过警报限制的对地航向的保护水平的图。
具体实施方式
参考图1，系统100包括能够移动的载具102，该载具102包括全球导航卫星系统(GNSS)接收器104和天线106。天线106可以从一个或更多个GNSS卫星108接收一个或更多个卫星信号。例如，天线106可以从至少五个GNSS卫星108接收卫星信号。GNSS接收器104可以基于在天线106处接收的卫星信号来计算位置、速度、对地航向和/或其它相关值。
此外，GNSS接收器104包括实现本文描述的一个或更多个实施方式的保护水平处理110。保护水平处理110可以是硬件、软件或其组合。载具102还可以包括一个或更多个子系统112。例如，子系统112可以是自动驾驶系统(ADS)或高级驾驶员辅助系统(ADAS)，所述自动驾驶系统(ADS)或高级驾驶员辅助系统(ADAS)通常在所计算的值的精度方面需要有大约99％或更高的可靠性，使得子系统112可以在安全关键环境中使用所计算的值。子系统112可以接收根据本文描述的一个或更多个实施方式确定的速度和/或对地航向的保护水平，并且将保护水平与一个或更多个警报限制进行比较，以确定子系统112是否可以在安全关键环境中利用速度值和/或对地航向值。系统100中的GNSS接收器104和子系统112可以包括处理器、存储器、存储装置和其它硬件(未示出)。
图2A和图2B是根据本文描述的一个或更多个实施方式的用于计算和利用速度和对地航向的保护水平的一系列步骤的流程图。为简单起见，本文所利用的示例值可以被四舍五入到特定数量的小数位，例如，3个小数位。然而，明确预期本文描述的一个或更多个实施方式可以使用被四舍五入到任意数量的小数位的值来实现。例如，本文描述的值可以被四舍五入到8个小数位或更多小数位，以获得更高的精度。
过程200开始于步骤205，并且继续到步骤210，在步骤210，GNSS接收器104获得多普勒测量值和方差测量值。具体地，天线106可以从至少5个GNSS卫星108接收卫星信号。在一个实施方式中，天线106从15到20个GNSS卫星108接收卫星信号。GNSS接收器104可以以已知方式基于在特定时间点、在天线106处接收的卫星信号来获得多普勒测量值。例如，如果天线106在第一时间点从6个GNSS卫星108接收卫星信号，则GNSS接收器104以已知方式获得6个多普勒测量值，各个多普勒测量值对应于不同的GNSS卫星108。GNSS接收器还以已知方式获得各个所获得的多普勒测量值的方差测量值。此外，GNSS接收器可以以已知方式计算位置、速度和对地航向等。
作为示例，假设天线106从6个GNSS卫星108接收卫星信号。尽管本文描述的示例涉及从6个GNSS卫星108接收卫星信号，但是可以明确设想到，本文描述的一个或更多个实施方式可以利用从任意数量(大于或等于5个)的GNSS卫星108接收的卫星信号来实现。在该示例中，基于从6个GNSS卫星108接收的卫星信号，GNSS接收器104获得6个多普勒测量值，以形成以下多普勒测量值矩阵：
多普勒测量值矩阵是包括多普勒测量值的D×1大小的矩阵，其中，D等于GNSS接收器104获得的多普勒测量值的数量。多普勒测量值矩阵中的各个多普勒测量值对应于不同的GNSS卫星。第一多普勒测量值对应于从第一GNSS卫星接收的卫星信号，第二多普勒测量值对应于从第二GNSS卫星接收的卫星信号，第三多普勒测量值对应于从第三GNSS卫星接收的卫星信号，第四多普勒测量值对应于从第四GNSS卫星接收的卫星信号，第五多普勒测量值对应于从第五GNSS卫星接收的卫星信号，以及第六多普勒测量值对应于从第六GNSS卫星接收的卫星信号。
此外，基于所接收的卫星信号，GNSS接收器104获得6个方差测量值(σ2)，以形成下面的σ2矩阵：
σ2矩阵是D×1大小的矩阵，其中，D等于GNSS接收器104获得的多普勒测量值的数量。σ2矩阵中的各个方差测量值对应于不同的多普勒测量值。具体地，第一方差测量值对应于第一多普勒测量值，第二方差测量值对应于第二多普勒测量值，依此类推。
该过程继续到步骤215，并且GNSS接收器104计算速度状态和时钟偏差。具体地，保护水平处理110计算权重(W)矩阵，该权重(W)矩阵包括σ2矩阵中的方差测量值的倒数，其中，W矩阵是包括等于多普勒测量值的数量的多个行和列的对角矩阵。因此，在该示例中，W矩阵是6×6大小的矩阵。W矩阵的对角元素(diagonal entry)中的各个值是σ2矩阵中的对应的方差测量值的倒数。例如，W矩阵的元素1，1处的值是10.204，该值是第一方差测量值0.098的倒数。类似地，W矩阵的元素2，2处的值是25.641，该值是第二方差测量值0.039的倒数。以类似的方式计算其它元素的其它值(例如，3，3；4，4；5，5和6，6)。W矩阵的其余的(例如，非对角线的)元素是零。在该示例中，保护水平处理110计算W矩阵，该W矩阵是6×6大小的矩阵，并且包括以下元素值：
保护水平处理110还计算成形(G)矩阵，该成形(G)矩阵表示多普勒测量值与GNSS接收器104处计算的速度之间的关系。具体地，G矩阵可以是各个GNSS卫星的方向余弦的计算。具体地，G矩阵是：
其中，XSat0为第一GNSS卫星(例如，发送卫星信号以使GNSS接收器104获得多普勒测量值18.607的第一GNSS卫星)的x坐标，XRx为GNSS接收器104的x坐标，YSat0为第一GNSS卫星的y坐标，YRx为GNSS接收器104的y坐标，ZSat0为第一GNSS卫星的z坐标，ZRx为GNSS接收器104的z坐标，XSatn为最后一个GNSS卫星(例如，发送卫星信号以使GNSS接收器获得多普勒测量值-15.292的第六GNSS卫星)的x坐标，YSatn为最后一个GNSS卫星的y坐标，以及ZSatn为最后一个GNSS卫星的z坐标。此外，RangeSat0toRx由第一卫星的坐标和GNSS接收器的坐标形成，其中，类似地，
因此，保护水平处理器110利用所有GNSS卫星108的x、y和z坐标以及GNSS接收器104的x、y和z坐标来计算G矩阵。在该示例中，G矩阵是6×4大小的矩阵，并且包括以下元素值：
对于线性系统，并且如本领域技术人员所知，y＝G*x+e，其中，y是多普勒测量值，x是速度状态和时钟偏差，G是成形矩阵，并且e是噪声。这样，GNSS接收器104可以利用最小二乘法，并且具体地是
x＝Inv(GT*W*G)*GT*W*y＝Ky
来求解K(例如，包括速度状态和时钟偏差的矩阵)，其中，GT是G矩阵的转置矩阵，W是W矩阵，G是G矩阵，并且y是多普勒测量值矩阵。因此，保护水平处理110可以求解K(变换矩阵)以计算GNSS接收器104的速度状态和时钟偏差。在该示例中，并且基于G矩阵、W矩阵和多普勒测量值矩阵的值，保护水平处理110求解K，K是4×6大小的矩阵，并且包括以下元素值：
其中，第一行对应于x-速度，第二行对应于y-速度，第三行对应于z-速度，第四行对应于时钟偏差，第一列对应于第一多普勒测量值，第二列对应于第二多普勒测量值，第三列对应于第三多普勒测量值，第四列对应于第四多普勒测量值，第五列对应于第五多普勒测量值，以及第六列对应于第六多普勒测量值。
该过程继续至步骤220，GNSS接收器104基于G矩阵和K矩阵来计算P矩阵。具体地，保护水平处理110将G矩阵(6×4)乘以K矩阵(4×6)来计算P矩阵。在该示例中，P矩阵包括以下元素值。
该过程继续到步骤225，并且GNSS接收器104计算各个多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的斜率。具体地，保护水平处理110利用以下公式计算各个多普勒测量值的斜率：
其中，Slopei是第i个多普勒测量值的斜率(即，影响)，Kji是来自K矩阵的针对第i个多普勒测量值和第j个状态的元素值，σi是来自σ2矩阵的针对第i个多普勒测量值的元素值的平方根，而Pii是来自P矩阵的针对第i个多普勒测量值的对角元素值。
因此，保护水平处理110计算各个多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的斜率(即，影响)。然后，保护水平处理110可以形成Slopei矩阵，该Slopei矩阵是D×4大小的矩阵，其中，D等于多普勒测量值的数量。Slopei矩阵的各行都对应于不同的多普勒测量值，并且第一列、第二列、第三列和第四列分别对应于x-速度、y-速度、z-速度和时钟偏移。存储在Slopei矩阵的各个元素处的值表示特定多普勒测量值对特定速度状态或时钟偏差的影响。
因此，继续该示例，保护水平处理110计算第一多普勒测量值对x-速度的斜率为此外，GNSS接收器104计算第一多普勒测量值对y-速度的斜率为/>此外，GNNS接收器计算第一多普勒测量值对z-速度的斜率为/>此外，GNSS接收器计算第一多普勒测量值对时钟偏差的斜率为/>保护水平处理110计算的针对第一多普勒测量值的斜率表示第一多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差具有多强烈的(即，影响)。所计算的第一多普勒测量值对各个速度状态的和时钟偏差的各个斜率被存储在Slopei矩阵的第一行的对应列中。GNSS接收器104以类似的方式计算其它各个多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的斜率，以形成Slopei矩阵。在该示例中，Slopei矩阵包括以下元素值：
Slopei矩阵的第一行对应于第一多普勒测量值对x-速度(第一列)、y-速度(第二列)、z-速度(第三列)和时钟偏差(第四列)的影响。第二行、第三行、第四行、第五行和第六行对应于第二多普勒测量值、第三多普勒测量值、第四多普勒测量值、第五多普勒测量值和第六多普勒测量值对x-速度(第一列)、y-速度(第二列)、z-速度(第三列)和时钟偏移(第四列)的相应影响。
该过程继续到步骤230，并且GNSS接收器104确定哪个多普勒测量值对各个速度状态和时钟偏差的影响最强烈。具体地，保护水平处理110可以从Slopei矩阵中选择针对各个速度状态和时钟偏差(例如，列)的最大斜率值。在这个示例中，并且针对x-速度，保护水平处理110从Slopei矩阵的第一列中选择最大元素值0.341。由于该选择的斜率值对应于与从第六GNSS卫星108接收的卫星信号相关联的第六多普勒测量值，因此保护水平处理110确定第六多普勒测量值对在GNSS接收器104处计算的x-速度影响最强烈。这样，第六多普勒测量值中的潜在误差将导致在GNSS接收器104计算的x-速度中的最大误差。
保护水平处理110还从Slopei矩阵中与y-速度相对应的第二列中选择最大元素值0.375。由于该选择的斜率值对应于与从第五GNSS卫星108接收的卫星信号相关联的第五多普勒测量值，因此保护水平处理110确定第五多普勒测量值对在GNSS接收器104处计算的y-速度影响最强烈。这样，第五多普勒测量值中的潜在误差将导致在GNSS接收器104处计算的y-速度中的最大误差。此外，保护水平处理110从Slopei矩阵中与z-速度相对应的第三列中选择最大元素值0.772。由于该选择的斜率值对应于与从第五GNSS卫星接收的卫星信号相关联的第五多普勒测量值，因此GNSS接收器104确定第五多普勒测量值对在GNSS接收器104处计算的z-速度影响最强烈。这样，第五多普勒测量值中的潜在误差将导致在GNSS接收器104处计算的z-速度中的最大误差。
此外，保护水平处理110还可以从Slopei矩阵中与时钟偏差相对应的第四列中选择最大元素值0.297。由于该选择的斜率值对应于与从第六GNSS卫星接收的卫星信号相关联的第六多普勒测量值，因此GNSS接收器104确定第六多普勒测量值对时钟偏差影响最强烈。这样，第六多普勒测量值中的潜在误差将导致时钟偏差中的最大误差。因此，在该示例中，x-速度、y-速度、z-速度和时钟偏差的最大斜率值分别为0.341、0.375、0.772和0.297。
该过程继续到步骤235，并且GNSS接收器104选择非中心参数。具体地，保护水平处理110可以基于冗余值(例如，多普勒测量值的数量-4个未知量)从表中选择非中心参数，其中，该表可以基于假警报的概率和期望的保护水平的完整性分配度(integrityallocation)来生成。更具体地说，保护水平处理110可以利用已知的非中心卡方分布方法来生成该表，并且非中心参数可以表示在用于期望的完整性分配度的速度解中未检测到的最大可能误差。在这个示例中，冗余值(即，自由度)是2(例如，6个多普勒测量值-4个未知量)。此外，并且在这个示例中，完整性分配度是1e-4(例如，99.9999％的可靠性)，并且假警报的概率是1e-3。基于已知的非中心卡方分布方法，以及完整性分配度是1e-4并且假警报的概率是1e-3，保护水平处理110可以以已知的方式生成存储多个非中心参数的表。然后，GNSS接收器104可以利用为2的冗余值来索引到表中，以选择非中心参数75.985。
该过程继续至步骤240，并且GNSS接收器104基于最大斜率和非中心参数计算地心地固(ECEF)坐标系中各个速度状态的保护水平。具体地，保护水平处理110可以通过利用所选择的非中心参数按比例放大最大斜率来计算ECEF坐标系中的各个速度状态的保护水平。更具体地，保护水平处理110将各个最大斜率乘以所选择的非中心参数的平方根，以按比例放大并且计算各个速度状态的保护水平。在该示例中，保护水平处理110计算出x-速度的保护水平为另外，保护水平处理110计算出y-速度和z-速度的保护水平分别为/>和/>针对各个速度状态计算的保护水平表示GNSS接收器104的真实速度的统计边界。
图3A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的所计算的速度的保护水平的图。具体地，所计算的速度值可以被表示为速度箭头301，并且保护水平可以被表示为包括速度箭头301的几何形状(例如，虚线方形302)。虚线方形302的大小(例如，长度和高度)可以等于或表示所计算的保护水平(即，统计边界)。这样，保证虚线方形302的区域303包含GNSS接收器104的真实速度(例如，达到特定的可靠性)。
因此，并且在此实施方式中，保证GNSS接收器的真实x-速度是在GNSS接收器104处计算的x-速度的±2.972m/s的可靠性达到99.9999％。类似地，保证GNSS接收器的真实y-速度是在GNSS接收器104处计算的y-速度的±3.269m/s的可靠性达到99.9999％。此外，保证GNSS接收器的真实z-速度是在GNSS接收器104处计算的z-速度的±4.690m/s的可靠性达到99.9999％。有利地，根据本文描述的一个或更多个实施方式计算的保护水平在计算速度的准确度方面提供比传统方法利用的标准偏差(例如，68％)更高级的可靠性(例如，99.9999％)。
保护水平处理110可以形成对角矩阵(PL(XYZ)矩阵)，该PL(XYZ)矩阵包括在ECEF坐标系中计算的x-速度、y-速度和z-速度的保护水平。在该示例中，PL(XYZ)矩阵是：
其中，PL(XYZ)矩阵的元素1，1对应于x-速度的保护水平，PL(XYZ)矩阵的元素2，2对应于y-速度的保护水平，并且PL(XYZ)矩阵的元素3，3对应于z-速度的保护水平。
该过程继续到步骤245，并且GNSS接收器104将ECEF坐标系中计算出的速度保护水平转换为北向、东向、向上(NEU)的速度保护水平。具体地，保护水平处理110可以基于GNSS接收器104的当前位置(例如，经度和纬度)计算旋转(R)矩阵。R矩阵可以利用下式来计算：
其中，Lat是GNSS接收器104的纬度线的坐标，而Lon是GNSS接收器104的经度线的坐标。对于该示例，假设R矩阵是：
然后，GNSS接收器可以利用下式将所述保护水平转换为NEU坐标系的保护水平：
PL(NEU)2＝RT*PL(XYZ)2*R,
其中，PL(NEU)是具有北向、东向和向上的保护水平的对角矩阵，RT是转置的旋转矩阵，PL(XYZ)是具有ECEF坐标系中的x-速度、y-速度和z-速度的保护水平的对角矩阵，并且R是旋转矩阵。在这个示例中，并且基于R矩阵和ECEF保护水平的值，保护水平处理110计算北向、东向和向上保护水平分别为3.867m/s、3.025m/s和4.175m/s，即，PL(NEU)矩阵是：
其中，PL(NEU)矩阵的元素1，1对应于北向速度的保护水平，PL(NEU)矩阵的元素2，2对应于东向速度的保护水平，并且PL(NEU)矩阵的元素3，3对应于向上速度的保护水平。
该过程继续到步骤250，并且GNSS接收器104将北向速度保护水平和东向速度保护水平转换为对地航向保护水平。具体地，保护水平处理110可以首先基于利用本文描述的最小二乘法(例如，K矩阵)计算的速度来计算北向速度和东向速度。在这个示例中，并且基于所计算的速度，GNSS接收器104计算北向速度为-28.741m/s，东向速度为-0.776m/s，然后保护水平处理110利用下式计算对地航向(PL(C.O.G))的保护水平：
其中，NorthVel是北向速度，PL(EastVel)是东向速度的保护水平，EastVel是东向速度，PL(NorthVel)是北向速度的保护水平。在这个示例中，并且基于这些值，所计算的对地航向的保护水平是6.029度或0.10523597弧度
图3B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的所计算的对地航向的保护水平的图。具体地，所计算的对地航向的值可以被表示为对地航向箭头304，箭头304指向例如相对于真实北向的特定方向。此外，保护水平可以被表示为包括对地航向箭头304的几何形状(例如，虚线三角形305)。虚线三角形305的大小可以等于或表示所计算的保护水平(即，统计边界)。这样，保证虚线三角形305的区域306包含GNSS接收器104的真实对地航向例如达到特定的可靠性。
因此，并且在这个示例中，保证GNSS接收器104的真实对地航向是GNSS接收器104处计算的对地航向的±6.029度的可靠性达到99.9999％。
该过程继续到步骤255，并且GNSS接收器发送一个或更多个保护水平到子系统112。例如，子系统112可以是自动驾驶系统(ADS)或高级驾驶员辅助系统(ADAS)。这样，GNSS接收器104可以通过有线网络或无线网络向子系统112提供一个或更多个保护水平。在另选实施方式中，子系统112可以位于载具102的外部，并且GNSS接收器104通过有线网络或无线网络向外部子系统112提供一个或更多个保护水平。
该过程继续到步骤260，并且子系统112确定保护水平是否超过警报限制。具体地，子系统112将从GNSS接收器104接收到的并且与计算的速度或对地航向相关联的保护水平与警报限制进行比较。在一个实施方式中，警报限制是系统设计的参数，并且可以被设定为子系统112(例如，ADS或ADAS)在例如安全关键环境中可以容忍的最大误差。例如，如果需要高精度的自动制动子系统要利用在GNSS接收器104处计算的速度，则警报限制可以被设定为0.5m/s或一些其它准确度值。然而，如果自动速度控制子系统要利用在GNSS接收器104处计算的速度，则警报限制可以被设定为5m/s或一些其它的准确度值。即，警报限制可以是基于子系统要如何利用在GNSS接收器104处计算的值(例如，速度或对地航向)的。
如果在步骤260处确定保护水平超过警报限制，则过程继续到步骤265，并且子系统112确定在GNSS接收器104处计算的值(例如，速度或对地航向)不能被子系统112利用。例如，假设子系统是自动制动子系统，并且警报限制是0.5m/s。这样，并且由于速度状态的各个保护水平(3.867m/s、3.025m/s和4.175m/s)均超过0.5m/s的警报限制，因此子系统112确定在GNSS接收器104处计算出的速度不能被子系统112用于例如安全关键环境中。
图4A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的超过警报限制的速度的保护水平的图。具体地，所计算的速度可以表示为速度箭头401。此外，保护水平可以由虚线方形402表示，该虚线方形402的大小等于或表示所计算的保护水平(即，统计边界)。实心方形403可以表示警报限制，该警报限制例如是子系统112(例如，ADS或ADAS)能够容忍的最大误差。如图4A中可以看到的，表示保护水平的虚线方形402超过了表示警报限制的实线方形403。这样，并且在这种情况下，子系统112不能使用所计算的速度。然后，该过程可以从步骤265继续到步骤210以重复图2A和图2B的步骤序列。
图5A是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的超过警报限制的对地航向的保护水平的图。具体地，所计算的对地航向可以被表示为对地航向箭头501。此外，保护水平可以由虚线三角形502表示，该虚线三角形502的大小等于或表示所计算的保护水平(即，统计边界)。实心三角形503可以表示警报限制，该警报限制例如是子系统112(例如，ADS或ADAS)能够容忍的最大误差。如图5A中可以看到的，表示保护水平的虚线三角形502超过了表示警报限制的实心三角形503。这样，并且在这种情况下，子系统112不能使用所计算的对地航向。
如果在步骤260处确定保护水平不超过警报限制，则该过程继续到步骤270，并且子系统112确定在GNSS接收器104处计算的值(例如，速度或对地航向)能够被子系统112利用。例如，假设子系统是自动速度控制子系统，并且警报限制是5m/s。这样，并且由于速度状态的各个保护水平(3.867m/s、3.025m/s和4.175m/s)都不超过5m/s的警报限制，因此子系统112确定在GNSS接收器104处计算的速度能够被子系统112用于例如安全关键环境中。
图4B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的不超过警报限制的速度的保护水平的图。具体地，所计算的速度可以被表示为速度箭头404。此外，保护水平可以由虚线方形405表示，该虚线方形405具有等于或表示所计算的保护水平的大小。实心方形406可以表示警报限制，该警报限制例如是子系统112(例如，ADS或ADAS)能够容忍的最大误差。如图4B中可以看到的，表示保护水平的虚线方形405不超过表示警报限制的实线方形406。这样，并且在这种情况下，子系统112可以使用所计算的速度。
图5B是示出根据本文描述的一个或更多个实施方式的不超过警报限制的对地航向的保护水平的图。具体地，所计算的对地航向可以被表示为对地航向箭头504。此外，保护水平可以由虚线三角形505表示，该虚线三角形505具有等于或表示所计算的保护水平的大小。实心三角形506可以表示警报限制，该警报限制例如是子系统112(例如，ADS或ADAS)能够容忍的最大误差。如图5B中可以看到的，表示保护水平的虚线三角形505不超过表示警报限制的实心三角形506。这样，并且在这种情况下，子系统112可以使用所计算的对地航向。
然后，过程可以从步骤270继续到步骤210以重复图2A和图2B的步骤序列。有利地，当根据本文描述的一个或更多个实施方式计算的保护水平不超过警报限制时，通常在所计算的值的准确度方面要求大约99％或更高可靠性的子系统可以利用速度和/或对地航向。
前面的描述描述了某些示例性实施方式。然而，显而易见的是，可以对所描述的实施方式进行其它变化和修改，从而获得它们的一些或全部优点。因此，前面的描述仅是示例性的，而不是以其它方式限制本公开的范围。所附权利要求的目的是覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这样的变化和修改。

Claims (16)

1.一种全球导航卫星系统GNSS接收器，所述GNSS接收器包括：
处理器，所述处理器被配置为：
基于从至少五个GNSS卫星接收的信号获得至少五个多普勒测量值；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的x-速度的斜率；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的y-速度的斜率；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的z-速度的斜率；
基于针对第一选择多普勒测量值计算的第一选择斜率来计算x-速度保护水平，其中，所述第一选择斜率是针对所述x-速度计算的最大斜率；
基于针对第二选择多普勒测量值计算的第二选择斜率来计算y-速度保护水平，其中，所述第二选择斜率是针对所述y-速度计算的最大斜率；
基于针对第三选择多普勒测量值计算的第三选择斜率来计算z-速度保护水平，其中，所述第三选择斜率是针对所述z-速度计算的最大斜率；
基于至少所述x-速度保护水平、所述y-速度保护水平和所述z-速度保护水平来计算北向、东向、向上NEU坐标系中的北向速度保护水平和东向速度保护水平；以及
使用下式将所述北向速度保护水平和所述东向速度保护水平变换为对地航向保护水平PL(C.O.G)：
其中，NorthVel是北向速度，EastVel是东向速度，PL(EastVel)是所述东向速度保护水平，并且PL(NorthVel)是所述北向速度保护水平。
2.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述处理器还被配置为：使用下式来计算所述北向速度保护水平、所述东向速度保护水平和向上速度保护水平PL(NEU)：
PL(NEU)2＝RT*PL(XYZ)*R，
其中，R是基于所述GNSS接收器的位置计算的旋转矩阵，PL(XYZ)是包括所述x-速度保护水平、所述y-速度保护水平和所述z-速度保护水平的矩阵，并且RT是转置的R矩阵。
3.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述处理器还被配置为：
将所述对地航向保护水平与警报限制进行比较；
当所述对地航向保护水平不超过所述警报限制时，确定子系统能够利用所比较的对地航向值；并且
当所述对地航向保护水平超过所述警报限制时，确定所述子系统不能够利用所述所比较的对地航向值。
4.根据权利要求1所述的GNSS接收器，其中，所述处理器还被配置为：
基于从所述至少五个GNSS卫星接收的所述信号获得至少五个方差测量值；
基于所述方差测量值的倒数来计算权重矩阵，其中，所述权重矩阵是对角矩阵；并且
使用所述至少五个GNSS卫星中的各个GNSS卫星的方向余弦来计算成形矩阵。
5.根据权利要求4所述的GNSS接收器，其中，所述处理器还被配置为：使用下式来计算变换矩阵：
Inv(GT*W*G)*GT*W*y＝Ky，
其中，GT是转置后的成形矩阵，W是所述权重矩阵，G是所述成形矩阵，K是所述变换矩阵，并且y是包括所述至少五个多普勒测量值的多普勒测量值矩阵。
6.根据权利要求5所述的GNSS接收器，其中，使用下式来计算针对特定多普勒测量值的斜率：
其中，i表示所述特定多普勒测量值，Slopei是所述特定多普勒测量值的所述斜率，Kji是来自所述变换矩阵的针对所述特定多普勒测量值和j状态的元素值，σi是与所述特定多普勒测量值相对应的特定方差值的平方根，并且Pii是来自P矩阵的针对所述特定多普勒测量值的对角元素值，其中，所述P矩阵是将所述成形矩阵乘以所述变换矩阵。
7.一种用于计算在全球导航卫星系统GNSS接收器处确定的对地航向值的保护水平的方法，所述方法包括以下步骤：
基于从至少五个GNSS卫星接收的信号获得至少五个多普勒测量值；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的x-速度的斜率；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的y-速度的斜率；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对在所述GNSS接收器处计算的z-速度的斜率；
基于针对第一选择多普勒测量值计算的第一选择斜率来计算x-速度保护水平，其中，所述第一选择斜率是针对所述x-速度计算的最大斜率；
基于针对第二选择多普勒测量值计算的第二选择斜率来计算y-速度保护水平，其中，所述第二选择斜率是针对所述y-速度计算的最大斜率；
基于针对第三选择多普勒测量值计算的第三选择斜率来计算z-速度保护水平，其中，所述第三选择斜率是针对所述z-速度计算的最大斜率；
基于至少所述x-速度保护水平、所述y-速度保护水平和所述z-速度保护水平来计算北向、东向、向上NEU坐标系中的北向速度保护水平和东向速度保护水平；以及
使用下式将所述北向速度保护水平和所述东向速度保护水平变换为对地航向保护水平PL(C.O.G)：
其中，NorthVel是北向速度，EastVel是东向速度，PL(EastVel)是所述东向速度保护水平，并且PL(NorthVel)是所述北向速度保护水平。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用下式来计算所述北向速度保护水平、所述东向速度保护水平和向上速度保护水平PL(NEU)：
PL(NEU)2＝RT*PL(XYZ)*R，
其中，R是基于所述GNSS接收器的位置计算的旋转矩阵，PL(XYZ)是包括所述x-速度保护水平、所述y-速度保护水平和所述z-速度保护水平的矩阵，并且RT是转置的R矩阵。
9.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括以下步骤：将所述对地航向保护水平与警报限制进行比较；
当所述对地航向保护水平不超过所述警报限制时，确定子系统能够利用所述对地航向值；并且
当所述对地航向保护水平超过所述警报限制时，确定所述子系统不能够利用所述对地航向值。
10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
基于从所述至少五个GNSS卫星接收的所述信号获得至少五个方差测量值；
基于所述方差测量值的倒数来计算权重矩阵，其中，所述权重矩阵是对角矩阵；并且
使用所述至少五个GNSS卫星中的各个GNSS卫星的方向余弦来计算成形矩阵。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括以下步骤：使用下式来计算变换矩阵：
Inv(GT*W*G)*GT*W*y＝Ky，
其中，GT是转置后的成形矩阵，W是所述权重矩阵，G是所述成形矩阵，K是所述变换矩阵，并且y是包括所述至少五个多普勒测量值的多普勒测量值矩阵。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用下式来计算特定多普勒测量值的斜率：
其中，i表示所述特定多普勒测量值，Slopei是所述特定多普勒测量值的所述斜率，Kji是来自所述变换矩阵的针对所述特定多普勒测量值和j状态的元素值，σi是与所述特定多普勒测量值相对应的特定方差值的平方根，并且Pii是来自P矩阵的针对特定多普勒测量值的对角元素值，其中，所述P矩阵是将所述成形矩阵乘以所述变换矩阵。
13.一种全球导航卫星系统GNSS接收器，所述GNSS接收器包括：
处理器，所述处理器被配置为：
从至少五个GNSS卫星获得至少五个多普勒测量值；
计算所述至少五个多普勒测量值中的各个多普勒测量值对多个速度状态中的每个速度状态的斜率；
根据在第一坐标系中计算的多个其它保护水平计算北向速度保护水平和东向速度保护水平，其中，所述多个其它保护水平是基于所计算的斜率计算的，并且其中，所述北向速度保护水平和所述东向速度保护水平是在第二坐标系中计算的，所述第二坐标系与所述第一坐标系不同；并且
使用下式将所述北向速度保护水平和所述东向速度保护水平变换为对地航向保护水平PL(C.O.G)：
其中，NorthVel是北向速度，EastVel是东向速度，PL(EastVel)是所述东向速度保护水平，并且PL(NorthVel)是所述北向速度保护水平。
14.根据权利要求13所述的GNSS接收器，其中，所述多个速度状态包括x-速度状态、y-速度状态和z-速度状态，其中，多个保护水平包括x-速度保护水平、y-速度保护水平和z-速度保护水平，并且其中，所述第一坐标系是地心地固ECEF坐标系。
15.根据权利要求14所述的GNSS接收器，其中，所述第二坐标系是北向、东向、向上NEU坐标系。
16.根据权利要求13所述的GNSS接收器，其中，所述GNSS接收器被安装到移动载具。
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