CN117008167A - 精确点定位方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及精确点定位方法、设备和系统。本公开涉及一种由卫星导航设备执行的精确点定位PPP方法。在一个实施方式中，所述方法包括以下步骤：使用多频接收器从基于卫星的导航系统的多个导航卫星接收多个定位信号；接收基于卫星的导航系统的导航卫星的空间段校正数据；分开地请求并接收局部辅助数据，其中，局部辅助数据表示卫星导航设备附近的大气误差；以及基于所接收的定位信号、空间段校正数据和局部辅助数据来计算精确位置和时间中的至少一者。本公开还涉及卫星导航设备、向至少一个卫星导航设备提供辅助数据的方法、辅助服务器、基于卫星的定位系统和计算机程序。

Description

精确点定位方法、设备和系统
技术领域
本公开涉及由卫星导航设备执行的精确点定位(PPP)方法、卫星导航设备、由至少一个服务提供者执行的PPP辅助方法、辅助服务器、基于卫星的定位系统和计算机程序。
背景技术
当前正在使用多个全球和地区的基于卫星的导航系统。全球导航卫星系统(GNSS)的已知示例包括基于US的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、中国的北斗导航卫星系统(BDS)和欧盟的伽利略系统。另外，正在运行或正在开发许多另外的系统(全球的、地区的和国家的)，包括日本的准天顶卫星系统(QZSS)和印度的印度地区导航卫星系统(IRNSS)以及地区的基于卫星的增强系统(SBAS)。
通常，基于卫星的导航系统使得对应卫星导航设备能够基于由GNSS的卫星星座广播的信号来确定其位置和/或时间。这样的卫星导航设备可以独立于任何本地基础设施工作，并且为许多应用提供合理的精度，诸如，辅助驾驶员进行导航等。
为了还支持要求较高精确度的应用(诸如，自主驾驶或勘测)，已经开发了许多算法和设备，其允许卫星导航设备的位置被确定为落入厘米范围。这些方法中的大多数方法依赖于由参考接收器提供的附加信息。
已知方法中的许多已知方法需要提供本地基础设施(诸如，差分接收器)和/或相对大量的辅助数据。此外，采用这种方法的卫星导航设备通常花费相对长的时间来初始化。
因此，需要至少部分地解决上述挑战的改进的精确点定位方法。
发明内容
根据第一方面，提供了一种由卫星导航设备执行的精确点定位方法。所述方法包括以下步骤：
-使用多频接收器从基于卫星的导航系统的多个导航卫星接收多个定位信号；
-接收基于卫星的导航系统的导航卫星的空间段校正数据(space segmentcorrection data)；
-分开地请求并接收局部辅助数据(local assistance data)，其中，局部辅助数据表示卫星导航设备附近的大气误差；以及
-基于所接收的定位信号、空间段校正数据和局部辅助数据来计算精确位置和时间中的至少一者。
尤其是，发明人已经发现PPP方法中使用的不同类型数据的量和有效性不同。此外，虽然一些数据(诸如，空间段校正数据)在全球或至少在诸如整个大陆的大区域上是有效的，但是其它数据(诸如，与大气误差相关的数据)仅用于位于给定的较小区域(诸如，单个国家、省或自治市的区域，或由给定参考系统定义的区域，诸如，UTM参考网格的100km×100km、10km×10km或1km×1km正方形)内的卫星导航设备。分开地接收这种不同类型的数据有助于减少由个体卫星导航设备接收的数据量。此外，与不存在单独请求的局部辅助数据的情况下的计算相比，单独请求的局部辅助数据可以由卫星导航设备(诸如，单频率接收器和多频率接收器)用于更快地估计传入卫星导航系统信号的误差分量，从而允许以改进的准确度来计算卫星导航设备的位置或时间。具体地，提供局部辅助数据大大加速了PPP方法的启动时间，以基于多个接收的定位信号提供第一位置。
在至少一个实现方式中，计算精确位置和时间中的至少一者的步骤包括：计算针对所接收的定位信号中的每个定位信号的载波相位校正，以使用精确点定位模糊度解算(PPP-AR)算法基于空间段校正数据和局部辅助数据来确定所接收的定位信号之间的相位关系，其中，使用所接收的局部辅助数据来解算所确定的相位关系中的模糊度。所公开的系统对于帮助获取特别有用，特别是减少获得PPP-AR算法的第一定位所需的时间。此后，基于PPP-AR的接收器可以保持其自身经历的局部大气误差的估计结果。
在至少一个实现方式中，该方法包括在卫星导航设备的工作期间重复地执行的以下步骤：接收当前空间段校正数据；使用多频接收器从多个导航卫星接收当前定位信号；在不存在当前局部辅助数据的情况下，基于当前空间段校正数据和先前确定的大气误差来估计所接收的定位信号中的每个定位信号的更新的大气误差；以及基于当前定位信号、当前空间段校正数据和所估计的更新的大气误差来确定卫星导航设备的精确位置或时间。这使得卫星导航设备能够在较长时间段内维持精确位置，而无需重复地接收针对局部辅助数据的更新，从而减少所需的下行链路带宽。例如，局部辅助数据可以仅被接收一次，具体是在卫星导航设备的初始化或重新同步步骤期间。
在至少一个实现方式中，局部辅助数据是响应于对应请求而接收的，对应请求包括与卫星导航设备的近似位置相关的位置数据和/或与供接收定位信号中的至少一个定位信号的最后一个导航卫星相关的卫星数据。这样的请求可以用于定制和限制提供给卫星导航设备的局部辅助数据的量，从而进一步降低带宽要求。
在至少一个实现方式中，在发送请求之前，卫星导航设备确定卫星导航设备的近似位置；并且请求包括与所确定的近似位置相关的位置数据。以这种方式，卫星导航设备可以快速地确定期望局部辅助数据的区域。
在至少一个实现方式中，空间段校正数据是通过广播信道并且特别是经由导航卫星、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者接收的，并且局部辅助数据是经由双向通信网络请求并接收的。另选地或另外地，空间段校正数据是通过提供数据流的具有基本固定的第一带宽的第一传输信道接收的，并且局部辅助数据是通过提供个体数据消息的具有可变的第二带宽的第二传输信道接收的。这允许将不同类型的辅助数据的特性与用于其传输的相应信道匹配。例如，空间段校正数据需要相对低和/或恒定的比特率，而局部辅助数据是突发的，因此应当优选地以较高和/或可变比特率间歇地发送。
空间段校正数据可以包括针对导航卫星的至少一个星座的卫星时钟校正数据、卫星轨道校正数据和/或卫星偏差校正数据。
局部辅助数据可以包括针对卫星导航设备附近的至少一个位置的电离层误差数据和/或对流层误差数据。
根据第二方面，提供了一种卫星导航设备。卫星导航设备包括：
-多频接收器，该多频接收器被配置为从基于卫星的导航系统的多个导航卫星接收多个定位信号；
-第一接口，该第一接口被配置为获得基于卫星的导航系统的导航卫星的空间段校正数据；
-第二接口，该第二接口被配置为请求并获得局部辅助数据，其中，局部辅助数据表示卫星导航设备附近的大气误差；以及
-处理单元，该处理单元被配置为执行精确点定位PPP算法，以计算精确位置和时间中的至少一者，其中，
-PPP算法使用所接收的定位信号、所获得的空间段校正数据和大气误差的估计结果来解算由多频接收器接收的信号之间的载波相位模糊度；并且
-局部辅助数据用于使影响由多频接收器接收的导航信号的大气误差的初始确定加速。
根据第二方面的卫星导航设备可以基于所接收的局部辅助数据快速地解算由局部大气扰动引入的误差，并因此与如下PPP-AR接收器相比表现出改进的启动性能，所述PPP-AR接收器在未提供有大气误差数据的情况下解算模糊度或等待较长时间以广播包括大气辅助数据的全球辅助数据。
在至少一个实现方式中，设备还包括：收发器，该收发器被配置为利用通信网络执行双向通信。第一接口被配置为从广播信道(特别是使用多频接收器接收的卫星广播信道)接收包括空间段校正数据的数据流。第二接口被配置为使用收发器经由通信网络向服务提供者发送请求并从服务提供者接收对应响应。这允许接收器使用适合于相应数据类型的特性的不同通信信道来接收不同类型的辅助数据。
根据第三方面，提供了一种向至少一个卫星导航设备提供辅助数据的方法，该方法由至少一个服务提供者执行。所述方法包括以下步骤：
-确定基于卫星的定位系统的导航卫星的空间段校正数据，空间段校正数据包括导航卫星的至少一个星座的卫星时钟校正数据、卫星轨道校正数据和/或卫星偏差校正数据；
-向多个卫星导航设备广播空间段校正数据；
-等待针对辅助数据的请求，每个接收到的请求与对应卫星导航设备的近似位置相关；
-确定第一局部辅助数据，第一局部辅助数据包括针对第一区域的电离层校正数据和/或对流层校正数据；以及
-响应于从第一卫星导航设备接收的第一请求，将第一局部辅助数据发送至第一卫星导航设备，第一请求与第一区域内的近似位置相关。
这种方法使得能够向多个卫星导航设备(诸如，根据第二方面的卫星导航设备)提供局部辅助数据，以例如使用根据第一方面的方法来执行PPP定位。
在至少一个实现方式中，至少一个服务提供者经由导航卫星、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者重复地将空间段校正数据广播到多个卫星导航设备。另外地或者另选地，至少一个服务提供者响应于第一请求经由双向通信网络发送局部辅助数据。
根据第四方面，提供了一种辅助服务器。辅助服务器包括：
-通信接口，该通信接口被配置为等待来自至少一个卫星导航设备的针对辅助数据的请求，每个请求与至少一个卫星导航设备的近似位置相关；以及
-处理单元，该处理单元被配置为通过位于第一区域内的至少一个卫星导航设备的精确点定位PPP算法来确定用于解算所确定的载波相位关系中的模糊度的局部辅助数据，局部辅助数据包括针对第一区域的电离层校正数据和/或对流层校正数据；其中，通信接口还被配置为响应于从第一卫星导航设备接收的第一请求而发送局部辅助数据，第一请求与第一区域内的近似位置相关。
根据第一方面所述的服务器能够适于执行根据第三方面所述的方法。
根据第五方面，提供了一种基于卫星的定位系统。所述系统包括：
-根据第二方面所述的至少一个卫星导航设备；
-根据第四方面所述的辅助服务器，其中，辅助服务器被配置为响应于从至少一个卫星导航设备接收的对应请求经由双向通信网络向至少一个卫星导航设备发送局部辅助数据；
-空间段校正提供者，其中，空间段校正提供者被配置为经由广播信道(特别是经由导航卫星、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者)向至少一个卫星导航设备广播空间段校正数据。
根据第六方面，提供了一种计算机程序。计算机程序包括指令，当程序被卫星导航设备的至少一个处理器或至少一个服务提供者的至少一个服务器执行时，分别使卫星导航设备执行根据第一方面所述的方法或使至少一个服务器执行根据第三方面所述的方法。
根据第五方面所述的系统和根据第六方面所述的计算机程序实现与根据第一方面至第四方面所述的方法和设备类似的优点。
附图说明
将参考附图描述本公开的具体实施方式。为了更容易参考，相同的附图标记可以用于指代不同实施方式的相同或相似的部件。然而，这并不暗示这些部件在每个方面中是相同的。
图1示出了基于卫星的导航系统的一般架构。
图2示出了用于辅助精确点定位的基于卫星的导航系统的第一架构。
图3和图4示出了处理部件和由卫星导航设备执行的步骤。
图5至图9示出了具有不同架构的另外的基于卫星的定位系统。
附图标记列表
100 基于卫星的导航系统(SNS)
110 导航卫星
120 区域
130 卫星导航设备
140 参考接收器站
150 处理中心
200 基于卫星的导航系统(SNS)
210 导航卫星
220 区域
230 卫星导航设备
231 多频接收器
232 通信设备
233 单独的接收器
240 第一参考接收器
250 第一服务器
260 全球PPP校正广播卫星
270 第二参考接收器
280 第二服务器
290 通信网络
500 基于卫星的导航系统(SNS)
540 参考接收器
600 基于卫星的导航系统(SNS)
650 校正服务器
700 基于卫星的导航系统(SNS)
760 地面广播网络
800 基于卫星的导航系统(SNS)
850 校正服务器
860 SNS地面控制基础设施
900 基于卫星的导航系统(SNS)
980 第二卫星导航设备
990 通信网络
S1-S11 方法步骤
具体实施方式
在描述所公开的PPP方法、设备和系统的具体细节之前，首先参考图1描述基于卫星的导航系统(SNS)100的一般架构。虽然在整个说明书中使用术语“基于卫星的导航系统”，以更好地理解，但是所公开的方法也可以适用于非导航应用，具体是精确定位、勘测、监视和定时应用，包括时间同步服务。
根据图1，SNS 100包括多个导航卫星110。导航卫星110环绕地球运行并借助于到多个接收器的广播来发送各种SNS消息(例如，导航数据消息)。在图1所示的示例中，在给定区域120内可以看见总共三个导航卫星110。由卫星110发送的对应SNS消息由卫星导航设备130以及三个参考接收器站140的网络接收，该卫星导航设备130可以是移动接收器(在SNS或GNSS的上下文中也称为“漫游器(rover)”)。要注意以下事实：图1中描绘的示例性系统出于代表性原因而被简化，并且典型的SNS将包括更多数量的卫星110、卫星导航设备130和参考接收器站140。
状态空间表示(SSR)通过将观测到的误差分解为不同分量部分而不是如针对一些常规的实时动力学(RTK)卫星导航设备(具体是单信道或单频卫星导航设备)所完成的单个累积或集总误差，向卫星导航设备提供校正以用于厘米级的高准确度定位。SSR是在一些高级校正服务(诸如，用于实时导航的安全位置增强(SPARTN)和准天顶卫星系统(QZSS)“厘米级增强服务”(CLAS))中使用的已被证明的技术。
SSR校正通常包括以下分量：
-卫星轨道误差；
-卫星时钟误差；
-卫星码和相位偏差(Satellite code and phase biases)；
-电离层误差；以及
-对流层误差。
参考接收器站140被安装在跨关注的地理区域的准确已知位置处，并且可以收集SNS测量结果，即，针对从可见导航卫星接收的局部接收的定位信号的观测结果。由于所述位置是准确已知的，所以可以通过已知SSR建模算法来确定每个位置处的接收到的定位信号中的观测到的SNS误差。
当前，这些SNS测量结果被发送至处理中心150，该处理中心150组合来自跨区域120的参考接收器站140的网络的观测结果，以将所述观测结果分解为如上所述的个体误差分量。个体误差分量被组合成单个数据流。可用于发送该数据流的带宽限制了可以提供的数据量。这导致性能、数据速率、更新间隔、地理覆盖范围以及将支持哪些星座和频带之间的折衷。
例如，QZSS CLAS仅覆盖日本地区，并且已经针对具有30s的最大更新间隔的大约1.6kb/s的最大数据速率进行了优化，以确保大部分时间发生60s内的获取。QZSS CLAS包含从对地静止或对地同步轨道中的多达11个卫星接收的信号的大气校正数据。因此，QZSSCLAS需要相对高的传输带宽并且仅覆盖有限的地理区域。伽利略高准确度服务(HAS)服务等级1以大约450b/s的数据速率为GPS和伽利略卫星提供校正，但不提供与大气干扰相关的数据。
换句话说，当今的服务将校正视为包含不同分量的单个不可分割的数据流。
根据本公开，观测到的误差在它们的传输之前被分解为它们的分量部分。将观测到的误差分解为其分量部分提供了优于常规的集总RTK校正的多个优点。例如：
-不同误差以不同的速率改变，因此，较低的更新速率可以用于更慢地改变的那些误差。
-可以使用在大的地理区域上应用的状态空间模型对分量校正进行建模，从而允许它们跨大的地理区域(甚至大陆)广播，从而使得它们适合于卫星分发。
-分发校正所需的总带宽可以显著降低。
此外，根据本公开，上述分量误差可以分为两类：
1.与特定卫星和信号相关联的空间段误差：轨道、时钟和偏差；以及
2.由通过电离层和对流层的信号传播引入的大气误差。
第一类误差(空间段)是全局的，并且可以附至特定信号和卫星。它们在全局上适用于定位解决方案，而不管SNS接收器位于何处。时钟误差是短期的，因此需要相当频繁地(通常每5到10秒)提供时钟校正。轨道和偏差更慢地改变并且可以不太频繁地更新。可以使用少至每秒几百比特的广播数据流来提供整个星座的空间段误差。
第二类误差取决于SNS接收器位于何处以及卫星发送信号的位置，因为这两个因素都影响通过电离层和对流层的传播路径。电离层和对流层误差模型往往缓慢变化，因此它们通常可以以较低的速率更新。然而，校正的地理性质意味着模型是复杂的，并且每个更新需要相对大量的数据(与空间段校正相比)。
图2示出了用于辅助精确点定位的基于卫星的定位系统200的第一架构。如前所述，系统200包括卫星导航设备230，其被配置为从一个或更多个导航卫星210接收多个定位信号。根据本公开，为了使卫星导航设备230能够执行精确点定位，卫星导航设备230至少部分地依赖于状态空间表示(SSR)。
在图2的系统200中，卫星导航设备230可以使用多频接收器231在不同载波频率上接收多个定位信号。
具体地，卫星导航设备230可以从多个卫星星座接收多个信号。例如，具有两个、三个或甚至更多个RF前端(图2中未示出)的多频接收器231可以用于接收在频域中间隔开的定位信号。随后，可以使用数字信号处理来分离出不同的信号测量结果。每个RF前端可以是软件可配置的。然而，它们还可以包括特定于给定频带的部件，诸如，滤波器、天线等。
在所公开的实现方式中，来自所谓的L1(以1575.42MHz为中心，大约1565MHz-1586MHz)、L2(以1227.60MHz为中心、大约1217MHz-1238MHz)和L5(以1176.45MHz为中心、大约1164MHz-1189MHz)频带的信号由不同的RF前端接收。这些频带中的每个频带由其自身的RF前端覆盖。在数字信号处理域中分离出由RF前端接收的个体L1、L2和L5定位信号。
另选地，可以使用复用单频接收器(未示出)顺序地接收不同载波频率上的多个定位信号。然而，至少针对高准确度解决方案，可能优选连续地跟踪所有关注的信号。
随着卫星导航信号传播通过大气的部分，所述卫星导航信号经受各种误差。虽然原则上这种误差导致定位算法的准确度降低，但是关于引入误差的频率依赖性的知识也可以用于提高对应误差的估计的精度。例如，可以通过利用如下原理来估计和移除电离层延迟：通过电离介质的传播导致已知的频率相关传播延迟。
如上所述，卫星导航系统遇到的其它误差包括所谓的空间段误差，其独立于大气扰动。例如，由于导航卫星210的确切轨迹和时钟抖动的偏差，所以每个导航卫星210的确切位置和时间可能不同于假设的确切位置。
为了计算这些误差分量和其它误差分量，跨正被基于卫星的定位系统200覆盖的地理区域提供参考站240的网络。为简单起见，图2仅示出了参考站网络的第一参考接收器240。第一参考接收器240还接收由导航卫星210广播的导航卫星信号。该第一参考接收器240可以直接转发所接收的定位信号，或者首先计算包括空间段误差分量的误差分量，并且将所述误差分量提供给被配置用于计算全球空间段PPP校正的第一服务器250。第一参考接收器240的精确位置可以由第一服务器250预先知道，或者该精确位置可以与接收到的定位信号或误差分量一起传送。尽管在图2中未示出，但是服务器250通常将从多个参考接收器240接收对应数据，并因此可以计算一个或更多个卫星星座的非常精确的空间段校正。
可以使用一个或更多个信道将所得到的数据流分发到卫星导航设备230，这可以包括：
-导航卫星网络域内的卫星分发，诸如使用频带L6或E6上的数据承载；
-使用诸如Inmarsat的单独通信网络的卫星分发；
-使用无线电广播站的地面广播；
-无线网络上的互联网分发；或
-3GPP LTE和5G网络中的LTE定位协议(LPP)。
在所公开的系统200中，使用全球PPP校正广播卫星260将空间段校正数据广播至系统200的一些或所有卫星导航设备230。在图2中所示的系统200中，空间段校正数据可以由卫星导航设备230的多频接收器231接收。然而，在另一系统中，卫星导航设备230的单独接收器电路可以用于接收由广播卫星260广播的空间段校正数据。
基于空间段校正数据的知识以及在不同频率处接收的多个定位信号的观测结果以及关于由大气引入的频率相关误差的知识，卫星导航设备230原则上可以以高准确度计算其自己的位置。例如，卫星导航设备230可以以米、亚米(sub-metre)或厘米范围计算其自身位置。具体地，使用双频带、三频带或四频带接收器，卫星导航设备230可以随时间解算由电离层引入的载波相位模糊度。
然而，传统的PPP解决方案会缓慢收敛，通常花费超过15分钟来解算电离层误差中的模糊度，并且在非最佳信号条件下和/或使用双频带接收器实现用于高准确度定位的载波相位跟踪。
通常，用于PPP的算法相对复杂，并且最初包括大量未知变量。特别是在接收器的初始或重新同步阶段期间，卫星导航设备230可能具有关于从导航卫星210接收的卫星定位信号的相位角的不完整知识。在数学术语中，对应方程组将导致关于各种定位信号之间的所确定的相位关系的大量模糊度。如上所述，原则上，可以通过在更长的时间段观测定位信号(positional signal)来解算这种模糊度。
在诸如自主驾驶的各种应用中，期望尽可能快地获得卫星导航设备230的精确位置，例如，在启动设备230之后几秒内或几十秒内。
为了促进卫星导航设备230的改进的启动行为，图2的基于卫星的定位系统200还包括也从导航卫星210接收定位信号的第二参考接收器270。虽然在图1中仅示出了一个第二参考接收器270，但是实际上将提供多个参考接收器270，所述多个参考接收器位于由导航卫星210服务的区域的不同部分中。第二参考接收器270将在较长的时间段内跟踪一个或更多个卫星星座的信号，并因此允许确定由定位信号从导航卫星210传播通过相应导航卫星210与第二参考接收器270之间的直接视线中的大气的一部分而引入的大气误差分量。
如以上关于用于计算空间段校正数据的第一参考接收器240和第一服务器250所详述的，可以由第二参考接收器270本身或对应第二服务器280来计算对应校正。因此，第二服务器280可以提供针对第二参考接收器270周围的区域220而言是局部的辅助数据。此外，通过针对多个第二参考接收器270接收大气误差，第二服务器280可以针对卫星导航系统200所服务的区域的不同部分建立大气误差。
在卫星导航设备230的初始化期间，可以经由另外的通信网络290来建立设备230与第二服务器280之间的数据连接。例如，卫星导航设备230可以包括通信设备232，其被配置为通过地面数据网络(诸如,数字无线通信网络)发送针对局部辅助数据的请求。该请求将被转发至第二服务器280，并且可以包括卫星导航设备230的近似位置。例如，可以提供具有几十米到几百米的相对较低精度的位置。即使在没有空间段和/或大气校正数据的情况下，卫星导航设备230也可以基于有限数量的接收到的定位信号来确定这样的近似位置。另选地，也可以手动地提供近似位置或在卫星导航设备230中存储近似位置，例如，最后使用卫星导航设备230的位置。
基于被包含在请求中的近似位置，第二服务器280可以取回预计算的局部辅助数据或按需计算局部辅助数据，以帮助卫星导航设备230。具体地，在第二服务器280维持在服务区域的不同子区域中经历的大气扰动的全局模型的情况下，第二服务器280可以选择与请求中包含的近似位置相对应的子区域。在所描绘的示例中，卫星导航设备230请求针对区域220的局部辅助数据，第二参考接收器270位于该区域220中。
响应于上述请求，第二服务器280将经由通信网络290将响应消息发送回卫星导航设备230。响应消息可以包含表示针对卫星导航设备230所位于的区域220的大气误差的局部辅助数据。
图3和图4更详细地示出了卫星导航设备230如何处理经由不同通信信道接收的数据。其中所示的步骤可以由通用CPU和相关联的存储器或专门配置用于信号处理的电路来执行。
下文描述的方法步骤通常将在卫星导航设备230在步骤S1中的启动时或之后立即执行，例如，在卫星导航设备230的初始化阶段期间执行。另外，还可以在卫星导航设备230的操作期间，特别是在卫星导航设备230不具有大气误差的有效估计结果时，在其它明确定义的点处执行以下方法步骤。
在步骤S2，卫星导航设备230获取用于定位的多个卫星信号测量结果。例如，多频接收器231重复地接收和测量定位信号(在下文中也称为SNS信号)的码和载波相位。只要卫星导航设备230是可操作的，通常就连续地或周期性地执行步骤S2。
在步骤S3，卫星导航设备230可以可选地请求常规的帮助数据。这样的数据例如可以包括SNS 200的历书、导航卫星210的星历数据或精确时间。可以直接从导航卫星210或从另一源(诸如通过通信网络290提供对应数据的辅助服务器)或其组合接收这样的数据。
在步骤S4，卫星导航设备230使用常规的基于码的定位来计算标准位置。在该阶段，卫星导航设备230尚未确定影响接收到的SNS信号的所有误差的模型。因此，使用常规的基于码的定位获得的位置与相对大的位置不确定性相关联，并因此在下文中称为近似位置。近似位置可以具有例如几十米或几百米的精度。
在步骤S5，卫星导航设备230接收并至少暂时存储来自广播服务的PPP全球空间段校正。例如，单独的接收器233可以接收包括针对空间段误差的定期更新的数据流。因此，步骤S5可以以规则的间隔执行，例如每当广播新的空间段校正数据时。
要注意以下事实：步骤S2至步骤S5可以以任意顺序执行并且部分地或完全地彼此并行地执行，例如，如图3的上部所示。
在步骤S6，卫星导航设备230向外部服务器发送针对用于PPP的大气帮助或辅助数据的形式的局部辅助数据的请求。请求对于卫星导航设备230的近似位置是特定的。具体地，卫星导航设备230可以经由通信接口232向第二服务器280发出针对局部辅助数据的请求，并且等待来自服务提供者的对应响应。该请求可以包括在步骤S4中计算的近似位置，或者对应于近似位置周围的区域(即，来自参考网格的预定网格段)的数据。该请求还可以指示关于可见卫星的信息。例如，该请求可以包括在步骤S1中供接收定位信号和/或根据在步骤S3中接收的历书或星历数据应当在近似位置处可见的每个卫星的标识符。
与步骤S2和步骤S5不同，步骤S6通常仅执行一次或在明确定义的操作点处执行。例如，仅在第二服务器280在初始化期间连接至通信网络290时或在卫星导航设备230不具有大气误差的有效估计结果时执行步骤S6。
作为响应，在步骤S7，卫星导航设备230从辅助服务器(例如，第二服务器280)接收局部大气帮助或辅助数据。由服务提供者提供的局部辅助数据可以包括针对请求中指示的近似位置或区域220的电离层和/或对流层校正数据。例如，服务提供者可以返回大气的局部模型，或者可以提供相对靠近卫星导航设备230的近似位置的给定区域内的一个或多个位置的个体校正数据。在一个实现方式中，所提供的局部辅助数据可以简单地包括针对近似位置本身的电离层和对流层校正数据。
在特定实现方式中，响应于对应请求而返回到卫星导航设备230的局部辅助数据可以采取多种不同形式，包括类似于当前SSR校正服务中的大气校正的大气校正和特定于请求卫星导航设备230的大气误差估计结果。
示例1：来自SSR服务的局部辅助数据
在该示例中，响应服务器280向卫星导航设备230发送与当前SSR校正服务兼容的格式的当前电离层和对流层误差模型。这通常包括三个或四个消息：
-作为每个卫星的多项式模型的电离层倾斜延迟校正；
-可以包括多项式模型的地区的对流层垂直误差；
-对流层垂直残差误差(通常指定为流体静力和湿延迟)和电离层残差误差的网格校正；和/或
-指定所选择的网格点位置和可选地要使用的对流层映射模型的信息。
电离层倾斜延迟校正是表示覆盖卫星导航设备230的位置和周围网格点的地区上的电离层误差的多项式模型。这可以是如在当前SSR校正服务中支持的简单线性模型或更高阶多项式。卫星导航设备230使用其近似位置和电离层倾斜延迟校正模型的知识来计算每个卫星的基本电离层误差(预期由其观测)。
网格校正基于其近似地理位置提供细粒度误差估计。通常在包围卫星导航设备的近似位置的三个网格点处指定这些参数。使用已知的网格点位置，卫星导航设备230针对其已知位置插值电离层残差误差，并应用这些残差误差作为使用倾斜延迟校正模型获得的针对电离层误差的校正。通过将周围网格点处的垂直延迟插值到卫星导航设备230的已知位置来估计对流层误差。然后通过应用适当的映射函数来校正垂直延迟，所述适当的映射函数考虑全球对流层变化和卫星位置，以得出由信号通过对流层的传播引起的误差的良好估计。
尤其地，该方法具有在服务器处需要最小复杂度的优点，服务器只需要从现有SSR服务选择适当的校正消息和字段，并将校正数据的该子集发送至卫星导航设备230。然而，这需要传送更多的数据，并且卫星导航设备230需要知道如何解释可以根据在辅助数据提供中使用哪个SSR校正服务而不同的校正消息。
示例2：特定于卫星导航设备230的局部辅助数据
在另选的辅助模式下，服务器280如上文在先前的子章节中描述的那样计算校正，因为服务器280知道卫星导航设备230的位置。服务器280可以使用与上述相同的算法或基于更宽范围的局部知识(例如，在卫星导航设备230处和周围流行的局部天气状况)和更复杂的模型来计算误差估计结果。仅将作为预期观测误差的最终误差估计结果被发送到卫星导航设备230，从而使需要计算的数据量和卫星导航设备230处所需的模型的复杂度最小化。这通常将采取接收器的特定地理位置的每卫星观测误差的形式。
尤其地，该方法减少了要用信号通知的数据量，降低了卫星导航设备230的复杂度并且将其与由辅助服务器280使用的校正服务的算法和消息传递特殊性解联接。这也表示更一般的解决方案。
在步骤S8，卫星导航设备230使用在步骤S5中接收的全球空间段校正和在步骤S7中接收的大气帮助数据来初始化精确点定位模糊度解算(PPP-AR)算法。也就是说，在卫星导航设备230的初始化阶段期间，不是仅基于接收的定位信号来计算局部大气误差，而是可以简单地由外部辅助提供者(诸如，第二服务器280)经由通信网络290提供大气误差，如上文关于示例2所解释的。另选地，大气误差可以由卫星导航设备230基于大气误差模型来计算，如上文关于示例1所解释的。
在步骤S9，卫星导航设备230使用先前初始化的PPP算法来计算高准确度位置。具体地，基于在步骤S2、步骤S5和步骤S7中接收的信息，在步骤S9，可以在卫星导航设备230的处理器上执行在步骤S8中初始化的计算机实现的PPP-AR算法。PPP-AR算法提供两种输出。
首先，在步骤S10，PPP-AR算法以相对高的精度(诸如，米或亚米范围内的精度)输出卫星导航设备230的位置或时间。同时，由于在步骤S2观测到的相位误差的分析，所以其提供了由大气引入的局部误差的更新的估计结果。
下面，描述了通过卫星导航设备230的典型PPP-AR算法实现的数学模型的相关部分。然而，要注意以下事实：已知的PPP-AR算法在多个方面不同，并且上面指示的方法可以适用于PPP-AR的不同实现方式。
基本观测方程可以写成：
其中，和/>是卫星导航接收器r相对于导航卫星s在频率fi上获得的码观测结果和相位观测结果。/>是卫星导航接收器r与导航卫星s之间的几何距离。c是光速。dtr是卫星导航接收器时钟偏移误差，并且dts是导航卫星时钟偏移误差。/>是导航卫星与卫星导航接收器之间的对流层倾斜延迟。/>是针对频率fi的、导航卫星与卫星导航接收器之间的电离层倾斜延迟。br,i和/>分别是卫星导航接收器和导航卫星的码观测结果的频率相关硬件延迟。Br,i和/>分别是卫星导航接收器和导航卫星的载波相位观测结果的频率相关硬件延迟。λi是相位观测结果的波长。/>是相位观测结果的整数模糊度，并且/>是未考虑的码和相位测量噪声的误差项。
首先，形成无电离层方程。电离层是电离介质，这意味着延迟项取决于频率。两个频率f1与f2之间的延迟差与以下成比例：
使用该关系，形成无电离层方程。这消除了一阶电离层效应。从在步骤S5中接收的广播服务获得空间段校正，并将该空间段校正应用于空间段误差作为一阶误差的校正。按照惯例，导航卫星硬件延迟被同化为导航卫星时钟误差，并且卫星导航接收器硬件延迟被同化为卫星导航接收器时钟误差。
为了实现模糊度解算的解决方案，卫星导航接收器需要解算“宽相(widelane)”和“窄相(narrowlane)”模糊度以及“宽相”和“窄相”小数周偏差(Fractional CycleBiases)。通过提供电离层和对流层延迟的初始估计，用于解算这些未知项中的至少一些未知项的搜索空间被减小，并因此实现AR修复的时间被减少。一旦被解算，卫星导航接收器就可以继续跟踪大气误差项。
用于解算整数模糊度和小数周偏差的一般过程如下。首先，使用码测量结果和相位测量结果的Hatch-Melbourne-Wüibbena无几何和无电离层组合来推导“宽相”浮点模糊度。相对于所选择的参考导航卫星来估计小数周偏差，并且使用舍入策略，可以固定“宽相”模糊度。其次，双频无电离层组合可以分解为整数固定的“宽相”模糊度和浮点“窄相”模糊度。
使用与“宽相”相同的策略，可以估计“窄相”整数模糊度和小数周偏差。由于不同PPP模糊度之间的相关性，所以LAMBDA(最小二乘模糊度去相关调整)方法用于实时解决方案。使用了一些不同的搜索和解算策略，并且本领域技术人员熟悉实现方式的细节。关于LAMBDA的另外的细节例如可以在Teunissen，P.J.G.，“The least-squares ambiguitydecorrelation adjustment：a method for fast GPS integer ambiguity estimation”，1995，Journal ofGeodesy,Vol.70，pp.65-82.中找到，其内容在本申请中通过引用被包括。
如图4的步骤S2、步骤S5和步骤S9所示，在所描述的方法中，接收更新的GNSS测量结果和PPP全球空间段校正以及使用PPP-AR计算新的高准确度位置和更新的局部大气误差的步骤以循环或类似的重复结构执行。
换句话说，一旦已经在步骤S8中初始化了卫星导航设备230，卫星导航设备230就可以通过连续地更新局部大气误差并且可选地从广播信道接收空间段误差来自主地工作。如果卫星导航设备230移动至未被通信网络290覆盖的区域(例如，移动至远程位置或没有或仅有有限的数据传输带宽的另一区域)，则这是特别有利的。
然而，在发生误差或重新初始化卫星导航设备230的情况下，在卫星导航设备230仍然连接至通信网络290的情况下，该方法还可以返回到步骤S6并发送针对局部辅助数据的另一请求。此外，在没有模糊度解算的其它PPP算法中，上述解决方案仍然可以用于改进卫星导航接收器的启动行为。即使不能成功地获得局部大气校正数据，PPP-AR和其它PPP位置方法两者仍将工作，尽管它们通常将具有劣化的性能。例如，在没有局部辅助数据的情况下，卫星导航设备230可能需要更长的时间来获得精确的位置或实现降低的精度。
图5至图9示意性地示出了基于卫星的定位系统的另外的可能的架构。除了下面解释的差异之外，它们的部件对应于上述基于卫星的定位系统200的相应部件。
具体地，在根据图5的基于卫星的定位系统500中，单个参考接收器540或参考接收器540的网络执行第一参考接收器240和第二参考接收器270两者的功能，并且将对应第一误差数据和第二误差数据递送到第一服务器250和第二服务器280。
另外，在根据图6的基于卫星的定位系统600中，校正服务器650执行第一服务器250和第二服务器280两者的功能。
另外，在根据图7的基于卫星的定位系统700中，代替全球PPP校正广播卫星260，地面广播网络760用于广播空间段校正数据。
在根据图8的基于卫星的定位系统800中，执行第一服务器250和第二服务器280两者的功能的单个校正服务器850利用现有SNS地面控制基础设施860来使用一个或更多个导航卫星210广播空间段校正数据。例如，可以使用诸如频带L6或E6上的数据承载的辅助信道来广播空间段校正数据。
最后，在根据图9的基于卫星的定位系统900中，第二卫星导航设备980可以接管第二服务器280的角色。也就是说，两个普通的卫星导航设备230和980可以以对等(P2P)方式协作以加速PPP算法的初始化，而不需要提供局部辅助数据的中央服务提供者。作为示例，第二卫星导航设备980可能已经在具有或不具有局部辅助数据的情况下计算出了局部大气误差。然后，在激活时，(第一)卫星导航设备230例如使用蓝牙或3GPP设备到设备(D2D)发现和/或通信协议来检测其附近的第二卫星导航设备980的存在。然后，(第一)卫星导航设备230可以使用通信网络990(诸如，局域网(LAN)或个人区域网(PAN))请求与由第二卫星导航设备980计算的局部大气误差相关的数据，并且使用所接收的数据作为局部辅助数据来初始化其自己的PPP算法。针对不由局部辅助数据提供者服务的区域和/或在基于陆地的通信网络290(例如，3GPP网络)的接收区域之外的区域，这尤其有用。
虽然已经分别描述了根据图2和图5至图9的系统的架构中的各种差异，但是技术人员将理解，这些差异可以以各种方式组合以获得与其相关联的各种技术效果。
与现有解决方案相比，所公开的系统、架构、方法和算法具有许多优点。例如，通过从局部辅助数据中分离空间段校正数据，可以大大减小提供辅助数据所需的带宽。具体地，与广播组合的空间段校正数据和大气校正数据的系统相比，可以减少所发送的数据的数据量，可以提高所提供的校正数据的精度或者可以减小更新间隔。
此外，相比于仅发送空间段校正数据的系统，可以大大降低卫星导航设备230的启动时间。这对于许多应用来说是重要的，包括自主驾驶，其中，需要关于车辆的初始位置的精确知识。
此外，结合PPP-AR算法，一旦在步骤S8中的初始化之后获得了精确的位置或时间，就可以保持或甚至改进精度，而无需来自外部服务提供者的另外的更新。例如，如果车辆离开通信网络290的覆盖范围，则其可以继续跟踪和存储局部大气误差，从而基于连续接收的定位信号产生高度准确的位置或时间。
因为局部辅助数据仅按需被取回，所以使用用户平面数据承载和常规数据协议的常规数据服务在总数据容量要求方面是高效的。它还意味着可以在全球提供高准确度服务，而没有影响常规的基于状态空间表示的服务的当前地理限制。按需取回地理校正的能力避免了卫星接收器需要等待(可能长的)广播更新周期完成，从而导致更快速的收敛和高准确度定位解决方案。

Claims (15)

1.一种由卫星导航设备(230)执行的精确点定位PPP方法，所述方法包括以下步骤：
使用多频接收器(231)从基于卫星的导航系统(200)的多个导航卫星(210)接收多个定位信号；
接收所述基于卫星的导航系统(200)的所述导航卫星(210)的空间段校正数据；
分开地请求并接收局部辅助数据，其中，所述局部辅助数据表示所述卫星导航设备(230)附近的大气误差；以及
基于所接收的定位信号、所述空间段校正数据和所述局部辅助数据来计算精确位置和时间中的至少一者。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算的步骤包括：
计算针对所接收的定位信号中的每个定位信号的载波相位校正，以使用PPP模糊度解算PPP-AR算法基于所述空间段校正数据和所述局部辅助数据来确定所接收的定位信号之间的相位关系，其中，使用所接收的局部辅助数据来解算所确定的相位关系中的模糊度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括在所述卫星导航设备(230)的工作期间重复地执行的以下步骤：
接收当前空间段校正数据；
使用所述多频接收器(231)从多个所述导航卫星(210)接收当前定位信号；
在不存在当前局部辅助数据的情况下，基于所述当前空间段校正数据和先前确定的大气误差来估计所接收的定位信号中的每个定位信号的更新的大气误差；以及
基于所述当前定位信号、所述当前空间段校正数据和所估计的更新的大气误差来确定所述卫星导航设备(230)的精确位置或时间。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述局部辅助数据仅被接收一次，特别是在所述卫星导航设备(230)的初始化或重新同步步骤期间。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述局部辅助数据是响应于对应请求而接收的，所述对应请求包括与所述卫星导航设备(230)的近似位置相关的位置数据和/或与供接收所述定位信号中的至少一个定位信号的最后一个导航卫星(210)相关的卫星数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
在发送所述请求之前，所述卫星导航设备(230)确定所述卫星导航设备(230)的近似位置；并且
所述请求包括与所确定的近似位置相关的位置数据。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
所述空间段校正数据是通过广播信道特别是经由所述导航卫星(210)、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者接收的；并且所述局部辅助数据是经由双向通信网络(290)被请求并接收的；和/或
所述空间段校正数据是通过提供数据流的具有基本固定的第一带宽的第一传输信道接收的；并且所述局部辅助数据是通过提供个体数据消息的具有可变的第二带宽的第二传输信道接收的。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，
所述空间段校正数据包括针对导航卫星(210)的至少一个星座的卫星时钟校正数据、卫星轨道校正数据和/或卫星偏差校正数据；和/或
所述局部辅助数据包括所述卫星导航设备(230)附近的至少一个位置的电离层误差数据和/或对流层误差数据。
9.一种卫星导航设备(230)，所述卫星导航设备包括：
多频接收器(231)，所述多频接收器被配置为从基于卫星的导航系统(200)的多个导航卫星(210)接收多个定位信号；
第一接口，所述第一接口被配置为获得所述基于卫星的导航系统(200)的所述导航卫星的空间段校正数据；
第二接口，所述第二接口被配置为请求并获得局部辅助数据，其中，所述局部辅助数据表示所述卫星导航设备(230)附近的大气误差；以及
处理单元，所述处理单元被配置为执行精确点定位PPP算法，以计算精确位置和时间中的至少一者，其中，
所述PPP算法使用所接收的定位信号、所获得的空间段校正数据和大气误差的估计结果来解算由所述多频接收器(231)接收的信号之间的载波相位模糊度；并且
所述局部辅助数据用于使影响由所述多频接收器(231)接收的导航信号的所述大气误差的初始确定加速。
10.根据权利要求9所述的设备，所述设备还包括：
收发器，所述收发器被配置为执行利用通信网络(290)的双向通信；其中，
所述第一接口被配置为从广播信道特别是使用所述多频接收器(231)接收的卫星广播信道接收包括所述空间段校正数据的数据流；并且
所述第二接口被配置为使用所述收发器经由所述通信网络(290)向服务提供者发送请求并从所述服务提供者接收对应响应。
11.一种向至少一个卫星导航设备(230)提供辅助数据的方法，所述方法由至少一个服务提供者执行，所述方法包括以下步骤：
确定基于卫星的定位系统(200)的导航卫星(210)的空间段校正数据，所述空间段校正数据包括针对导航卫星(210)的至少一个星座的卫星时钟校正数据、卫星轨道校正数据和/或卫星偏差校正数据；
向多个卫星导航设备(230)广播所述空间段校正数据；
等待针对辅助数据的请求，每个接收到的请求与对应卫星导航设备(230)的近似位置相关；
确定第一局部辅助数据，所述第一局部辅助数据包括针对第一区域(220)的电离层和/或对流层校正数据；以及
响应于从第一卫星导航设备(230)接收的第一请求，将所述第一局部辅助数据发送至所述第一卫星导航设备(230)，所述第一请求与所述第一区域(220)内的近似位置相关。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
由所述至少一个服务提供者经由所述导航卫星(210)、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者重复地将所述空间段校正数据广播到所述多个卫星导航设备(230)；和/或
由所述至少一个服务提供者响应于所述第一请求经由双向通信网络(290)发送所述局部辅助数据。
13.一种辅助服务器(280)，所述辅助服务器包括：
通信接口，所述通信接口被配置为等待来自至少一个卫星导航设备(230)的针对辅助数据的请求，每个请求与所述至少一个卫星导航设备(230)的近似位置相关；以及
处理单元，所述处理单元被配置为通过位于第一区域(220)内的至少一个卫星导航设备(230)的精确点定位PPP算法来确定用于解算所确定的载波相位关系中的模糊度的局部辅助数据，所述局部辅助数据包括针对所述第一区域(220)的电离层校正数据和/或对流层校正数据；
其中，所述通信接口还被配置为响应于从第一卫星导航设备(230)接收的第一请求而发送所述局部辅助数据，所述第一请求与所述第一区域(220)内的近似位置相关。
14.一种基于卫星的定位系统(200)，所述基于卫星的定位系统包括：
至少一个根据权利要求9所述的卫星导航设备(230)；
根据权利要求13所述的辅助服务器(280)；以及
空间段校正提供者，其中，
所述空间段校正提供者被配置为经由广播信道特别是经由所述导航卫星(210)、对地静止通信卫星、近地轨道通信卫星和地面发送器中的至少一者向所述至少一个卫星导航设备(230)广播所述空间段校正数据；并且
所述辅助服务器(280)被配置为响应于从所述至少一个卫星导航设备(230)接收的对应请求经由双向通信网络(290)向所述至少一个卫星导航设备(230)发送所述局部辅助数据。
15.一种存储有计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括指令，当所述计算机程序被卫星导航设备(230)的至少一个处理器或至少一个服务提供者的至少一个服务器执行时，分别使所述卫星导航设备(230)执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法或使所述至少一个服务器执行根据权利要求11或12所述的方法。
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