CN112867941A - 高精度gnss天线的相位中心补偿 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于确定布置在移动设备，特别是车辆中的天线的相位中心的位置的方法，其中所述天线可操作为在全球导航卫星系统中接收卫星信号，所述方法包括：利用所述天线接收来自所述全球导航卫星系统的卫星的卫星信号；基于所接收的卫星信号确定接收所述卫星信号的方向；基于接收所述卫星信号的所述方向以及指示所述相位中心的所述位置与接收所述卫星信号的所述方向之间的相关性的所存储的相关性信息来确定所述天线的所述相位中心的所述位置。

Description

高精度GNSS天线的相位中心补偿

背景技术

如今，包括车辆在内的许多移动设备都使用来自全球导航卫星系统GNSS的卫星信号来确定它们的位置。为此，利用移动设备的天线接收来自多个卫星的信号，并且随后由接收器对这些信号进行解码。接收器基于所接收的卫星信号来确定天线的位置。高精度GNSS系统能够以厘米或毫米范围内的准确性来确定车辆天线的位置。为此，已知的高精度GNSS系统需要具有稳定相位中心的天线。天线的相位中心是似乎发生从接收波转换为电信号的点。然而，相位中心取决于入射波撞击天线结构的方向。理想情况下，此点应与入射波的方向无关，使得可将其视为天线在GNSS内的位置。否则，与仅从一个卫星接收的信号相关联的相位中心，或考虑到多个所接收的卫星信号的平均相位中心，都可被视为天线的位置。然而，这导致对天线位置的不精确且不稳定的确定。

通常，满足相对稳定的相位中心的规格的天线通常过于庞大且昂贵，无法在常规制造过程中使用。这导致天线设计的使用不能满足要求的性能。然而，尽管有不完善的行为，即天线的相位中心不稳定，但仍希望实现高定位准确性。

发明内容

根据许多实施方案中的一个实施方案，提供了一种用于补偿天线的相位中心的位置相对于布置在移动设备，特别是车辆中的天线的几何位置的偏移的方法，其中天线可操作为在全球导航卫星系统中接收卫星信号，该方法包括：利用天线接收来自全球导航卫星系统的卫星的卫星信号；基于所接收的卫星信号确定接收卫星信号的方向；基于接收卫星信号的方向以及指示相位中心的位置与接收卫星信号的方向之间的相关性的所存储的相关性信息来确定偏移。

上述方法基于以下认识，即天线的相位中心取决于接收卫星信号的方向。这尤其适用于相位中心相对不稳定的天线，诸如在相对简单且廉价的位置确定设备中使用的天线。通过考虑移动天线(即全球导航卫星系统中无固定取向的天线)接收卫星信号的方向，可以提高所确定的相位中心的准确性。具体地，使相对简单的位置确定设备能够以高度准确的方式确定天线的位置。

根据一个实施方案，确定偏移是进一步基于所接收的卫星信号的频率来进行的，并且所存储的相关性信息进一步指示相位中心与所接收的卫星信号的频率之间的相关性。

天线的相位中心也可根据所接收的卫星信号的频率而变化。因此，对卫星信号频率的考虑进一步提高了所确定的天线位置的准确性。

根据一个实施方案，该方法还包括确定天线相对于卫星的取向；其中确定接收卫星信号的方向是基于所确定的天线的取向来进行的。

因此，考虑到移动天线不仅可以执行平移运动，而且可以围绕不同的轴旋转。天线的旋转运动可导致接收卫星信号的方向发生变化。由于移动天线可能不是旋转对称的，因此考虑到所述旋转运动会进一步提高所确定的相位中心的准确性。

根据一个实施方案，天线的取向由取向确定设备，特别是布置在车辆中的取向确定设备确定。

诸如惯性测量单元、IMU和/或GPS设备的取向确定设备可准确地指示移动设备或车辆的取向，特别是独立于所接收的卫星信号来指示，并且因此可用于推导出布置在移动设备或车辆中或安装在移动设备或车辆上的天线的取向。由此，提高了所确定的接收卫星信号的方向的可靠性和准确性。

根据一个实施方案，重复地，特别是周期性地或连续地确定并存储天线的取向。

因此，当接收卫星信号时，该方法可立即使用指定天线的当前取向的数据。因此，减少了确定车辆位置所需的时间。

根据一个实施方案，该方法还包括：在接收卫星信号之前，基于在天线的参考几何位置处从一个或多个参考方向所接收的参考信号来确定并存储相关性信息。

可在实验室环境中执行相关性信息的确定，在该实验室环境中，天线的几何位置和取向是众所周知的，即以期望的准确性已知。参考卫星信号可以是从在实验室环境中模拟参考卫星的实体所接收的信号。所述实体的位置也可以期望的准确性已知。因此，使用接收参考卫星信号的相对于天线取向的不同已知方向来确定天线的相位中心，并将所确定的相位中心与天线的已知几何位置进行比较，可导致能准确地确定所确定的天线的相位中心与分别与不同已知方向中的每一个已知方向相关联的天线的实际几何位置之间的偏移。

根据一个实施方案，确定相关性信息是进一步基于所接收的参考信号的一个或多个频率来进行的。

如上面所指出的，所接收的参考卫星信号的频率可能对天线的相位中心相对几何位置的偏移有重大影响。考虑到所接收的参考卫星信号的频率会提高所存储的信息的质量，从而提高所确定的相位中心的准确性。

根据一个实施方案，确定相关性信息包括：利用天线接收卫星信号作为参考信号；基于所接收的参考卫星信号来确定天线的参考相位中心的位置；获得天线的参考几何位置；将所确定的参考相位中心与所获得的参考几何位置进行比较。

因此，在接收可用卫星的卫星信号的同时，可在参考区域而不是在实验室环境中执行相关性信息的确定。在参考区域内，天线的几何位置可以是众所周知的，或者可使用除基于卫星信号的方法以外的定位方法来确定。也就是说，可在使用天线或例如车辆的同时确定相关性信息。因此，可定期地更新包含相关性信息的数据库，从而增加所存储的相关性信息的量或提高相关性信息的质量或准确性，并因此提高所确定的相位中心的准确性。

根据另一实施方案，提供了一种包括移动天线的定位系统，该移动天线可操作为在全球导航卫星系统中接收卫星信号，该定位系统被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

附图说明

参考附图，通过阅读以下非限制性实施方案的描述，可以更好地理解本发明，附图中：

图1示出了用于补偿天线的相位中心的位置相对于布置在移动设备中的天线的几何位置的偏移的方法的流程图；

图2示出了用于确定接收卫星信号的方向的方法的流程图；

图3示出了用于确定指示偏移和接收卫星信号的方向之间的相关性的相关性信息的方法的流程图；

图4示出了用于确定相关性信息的校准环境；

并且图5示出了包括多个卫星和安装在车辆上的天线的全球导航卫星系统。

具体实施方式

图1示出了用于补偿天线的相位中心的位置相对于布置在移动设备中的天线的几何位置的偏移的方法100的流程图。在本示例中，移动设备为车辆。替代地，移动设备可为移动电话或任何其他移动电子设备。

在步骤110中，利用布置在车辆中的天线接收卫星信号。可从全球导航卫星系统GNSS的多个卫星接收卫星信号。

在步骤120中，至少部分地基于所接收的卫星信号来确定接收卫星信号的方向。具体地，可为所接收的卫星信号中的一个、多个或每个卫星信号确定相应的方向。该方向是相对于天线，即相对于包括天线的车辆确定的。所确定的方向可以是指示相对于天线的取向的方位角和/或仰角的矢量。因此，在从中接收卫星信号的卫星的位置保持恒定并且车辆相对于卫星的位置或取向发生变化的星座图中，接收卫星信号的方向，即方位角和仰角也发生变化。可由包含在车辆中的接收器执行方向的确定。下面参考图2更详细地描述用于确定方向的示例性方法。

在步骤130中，确定与所接收的卫星信号相关联的天线的相位中心的位置。具体地，确定与所接收的卫星信号中的一个或一些卫星信号相关联的相位中心的位置。更具体地，确定天线的相位中心的位置相对于天线的几何位置的偏移。相位中心的位置或偏移的确定是基于所确定的接收卫星信号的方向来进行的。

相位中心的位置的确定是进一步基于存储在车辆的存储装置中或存储在车辆可访问的存储装置中的相关性信息来进行的。车辆可访问的存储装置可代表无线耦合至车辆的服务器。相关性信息包括天线的相位中心的位置与接收相关联的一个或多个卫星信号的方向之间的相关性的指示。相关性信息可例如根据接收一个或多个卫星信号的方向指示相位中心相对于天线的几何中心或天线的任何其他几何位置的位移或偏移。相关性信息可包括用于补偿相位中心相对于几何中心的位移或偏移的补偿值。补偿值可以是包括多个分量的矢量，以补偿三维位移或偏移。

由此，考虑并补偿了天线的相位中心的位置或偏移对相对于天线接收卫星信号的方向的依赖性。因此，可精确地确定天线的位置，即车辆在GNSS中的位置。

除了接收卫星信号的方向以外，天线相位中心的位置或偏移也可取决于所接收的卫星信号的频率。因此，相关性信息可进一步指示相位中心的位置或偏移对所接收的卫星信号的频率的依赖性。因此，与所接收的卫星信号相关联的相位中心的位置或偏移的确定可进一步基于所确定的所接收卫星信号的频率来进行。

图2示出了用于确定接收卫星信号的方向的示例性方法200的流程图。在图2中，步骤210和220对应于图1所示的方法100的步骤110和120。

在步骤210中，利用天线接收卫星信号。在步骤220中，基于所接收的卫星信号来确定接收卫星信号的方向。步骤220继而包括若干子步骤。

在子步骤222中，确定天线的初步位置。可基于所接收的卫星信号来确定初步位置。例如，在步骤210中，接收来自多个卫星，特别是来自GNSS的至少三个卫星的卫星信号。所接收的卫星信号可指示多个卫星中的每个卫星的位置以及多个卫星中的每个卫星与天线的位置之间的距离。可从卫星发射信号到天线接收信号之间的时间，即从所接收的信号的飞行时间推导出卫星与天线的位置之间的距离。可基于多个卫星的相应位置以及到多个卫星的相应距离来确定天线的初步位置。具体地，可确定天线的初步几何位置或车辆在GNSS内的初步位置。

在子步骤224中，确定天线相对于从其接收卫星信号的卫星的取向。天线的取向可表示相对于天线或车辆的固定方向。天线的取向可由与天线的纵向延伸正交的矢量来定义。矢量可始终指向车辆的行驶方向。也就是说，如果天线围绕一个或多个独立的旋转轴旋转，则天线相对于卫星的取向发生变化。在一个示例中，当车辆被放置在平面上并且围绕垂直于该平面的旋转轴旋转时，天线的取向发生变化。在另一示例中，如果车辆围绕平行于平面的旋转轴旋转，即当天线相对于平面倾斜时，则天线的取向发生变化。另一示例可包括车辆上下行驶或平行于斜坡行驶的情况。

天线的取向可由取向确定设备确定，诸如包括惯性测量单元IMU和/或全球定位系统GPS设备的设备。取向确定设备可布置在车辆中。另外或替代地，可基于最近确定的车辆位置从车辆的运动中推导出天线的取向。也就是说，可基于所接收的卫星信号或通过布置在车辆中的其他实体来确定天线或车辆的取向。

在子步骤226中，基于在步骤222中确定的天线的初步位置和在步骤224中确定的天线的取向来确定相对于天线的取向接收卫星信号的方向。

根据所确定的天线的初步位置，可确定接收卫星信号的初步方向。初步方向可由从初步位置指向卫星中的一个的矢量表示。换句话说，初步方向可考虑到卫星的位置以及天线或车辆的初步位置来确定在卫星坐标系中接收卫星信号的方向。换句话说，初步方向与在初步位置上执行的天线的旋转运动无关。

根据所确定的天线的取向，可在车辆坐标系中确定接收卫星信号的方向，在该车辆坐标系中，天线的取向矢量始终指向同一方向。也就是说，使用卫星坐标系内天线的取向和卫星坐标系中接收卫星信号的方向，可相对于天线的取向，即相对于车辆坐标系确定接收卫星信号的方向。

图3示出了用于确定指示相位中心的位置或偏移与接收卫星信号的方向之间的相关性的相关性信息的方法300的流程图。

在步骤310中，利用天线从一个或多个参考方向接收一个或多个参考信号。可在参考区域中从GNSS的卫星接收参考信号。替代地，可在校准过程期间在校准环境中接收参考信号。下面参考图4更详细地描述校准环境的示例。在参考区域或校准环境中接收参考信号的参考方向以及参考信号的频率可以是已知的。具体地，参考信号的发射器的位置以及天线的位置可以是已知的。

在步骤320中，确定与所接收的参考信号相关联的参考相位中心的位置。具体地，确定与一个或多个所接收的参考信号相关联的相位中心。如上所述，所确定的参考相位中心可能与天线的位置不一致。

在步骤330中，获得天线的参考位置。参考位置可以是诸如天线的几何中心的几何参考位置，并且可从车辆的参考位置推导出。可从参考定位系统获得天线的参考位置，该参考定位系统被配置为例如基于精确的激光距离传感器数据来精确地确定参考区域中的天线的参考位置。替代地，天线的位置是校准环境中的预定位置。

在步骤314中，将所确定的参考相位中心的位置与所获得的参考位置进行比较。基于该比较，可确定参考相位中心相对天线的参考位置的偏移。具体地，可确定相位中心的位置或偏移对接收参考信号的已知方向和参考信号的已知频率的依赖性。随后，存储指示所确定的依赖性的相关性信息。使用所存储的相关性信息，可基于所接收的非参考卫星信号来确定相位中心的位置或偏移，如参考图1所述。

图4示出了校准环境400，该校准环境包括：参考信号发射器440；可旋转平台450；放置在可旋转平台450上的包括天线470的车辆460。可旋转平台450平行于由独立的第一坐标系轴410和第二坐标系轴420限定的水平面布置。可旋转平台450可围绕与水平面正交的旋转轴旋转。旋转轴可包括可旋转平台的几何中心和/或天线470的几何中心。旋转平台可进一步相对于由第一轴420和第二轴420限定的水平面倾斜。参考信号发射器440可平行于第三独立坐标系轴430平移移动，第三通道430可与水平面正交。

当使用例如参考图3描述的方法300时，校准环境400允许确定指示相位中心的位置或偏移与接收卫星信号的不同方向之间的相关性的相关性信息。

在校准过程期间，天线470从参考信号发射器440接收参考信号。所接收的参考信号可具有不同的参考频率。在发射参考信号和接收参考信号期间，发射器440和可旋转平台450两者都保持在已知的固定位置。基于已知的固定位置，可明确确定天线接收参考信号的方向。包含在车辆中的接收器478可确定与所接收的参考信号相关联的相位中心的位置。由于校准环境中天线的几何位置是已知的，因此可确定相位中心的位置相对于与接收参考信号的方向和/或参考信号的频率相关联的天线的几何位置的偏移，并将其存储在数据库、矩阵或其他存储装置中。

通过旋转和倾斜可旋转平台450并且通过平行于第三轴430移动发射器440，可将在北半球内相对于水平面接收信号的所有方向分配给相位中心的位置或相位中心相对于天线470的几何位置的偏移。换句话说，可将由相对于天线或车辆的取向的在0°与360°之间的方位角和在0°与90°之间的仰角定义的每个方向分配给相位中心的位置或偏移。

在操作中，由布置在车辆460中的接收器480确定的相位中心可能会受到布置在车辆460中的其他实体或车辆460所接收的其他信号的影响。如在所示的校准环境中，天线470在安装到车辆460上或布置在车辆中之后被校准，在校准过程中考虑了这些进一步的影响。

与图4所示的校准环境中的设置类似，GNSS的卫星可用于执行天线的校准。在一个示例中，车辆可位于准确已知的位置。在另一示例中，车辆可基于从相关性已包括的方向所接收的卫星信号来准确地确定其位置。随后，车辆可从尚未与相关性信息中的相位中心的位置相关联的新方向接收卫星信号。与参考图3和图4所描述的类似，车辆然后可确定与新方向相关联的相位中心的位置或偏移，并且将相应确定的相位中心对新方向的依赖性添加到核对信息。以这种方式，可在操作期间更新或补充相关性信息。

图5示出了包括卫星510、520和530的全球导航卫星系统500。系统500还包括安装在车辆460上的天线470。如图所示，天线470从分别不同的方向接收来自卫星510、520和530中的每一个卫星的卫星信号。在所示的二维示例中，接收卫星信号的每个方向，特别是仰角取决于角度540，该角度定义了天线相对于地球表面的倾斜角。该方向进一步由车辆行驶的方向限定。

在已经确定并存储了指示相位中心的位置与接收卫星信号的不同方向之间的相关性的相关性信息之后，使包含在车辆460中的接收器480能够在确定车辆的位置或天线470在GNSS 500内的几何中心时考虑接收卫星信号的方向。

Claims (9)

1.一种用于补偿天线的相位中心的位置相对于布置在移动设备，特别是车辆中的所述天线的几何位置的偏移的方法，其中所述天线能操作为在全球导航卫星系统中接收卫星信号，所述方法包括：

利用所述天线接收来自所述全球导航卫星系统的卫星的卫星信号；

基于所述所接收的卫星信号确定接收所述卫星信号的方向；

基于接收所述卫星信号的所述方向以及指示所述相位中心的所述位置与接收所述卫星信号的所述方向之间的相关性的所存储的相关性信息来确定所述偏移。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述偏移是进一步基于所述所接收的卫星信号的频率来进行的，并且所述所存储的相关性信息进一步指示所述相位中心与所述所接收的卫星信号的所述频率之间的相关性。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：

确定所述天线相对于所述卫星的取向；并且

其中确定接收所述卫星信号的所述方向是基于所述所确定的所述天线的取向来进行的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述天线的所述取向由取向确定设备，特别是布置在所述车辆中的取向确定设备确定。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中重复地，特别是周期性地或连续地确定并存储所述天线的所述取向。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：

在接收所述卫星信号之前，基于在所述天线的参考几何位置处从一个或多个参考方向所接收的参考信号来确定并存储所述相关性信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其中确定所述相关性信息是进一步基于所述所接收的参考信号的一个或多个频率来进行的。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中确定所述相关性信息包括：

利用所述天线接收所述卫星信号作为所述参考信号；

基于所接收的参考卫星信号来确定所述天线的参考相位中心的位置；

获得所述天线的所述参考几何位置；

将所述所确定的参考相位中心与所述所获得的参考几何位置进行比较。

9.一种包括移动天线的定位系统，所述移动天线能操作为在全球导航卫星系统中接收卫星信号，所述定位系统被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

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