CN1189892A - 运动物体定位系统 - Google Patents

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Abstract

为减少差分GPS系统中校正数据所需的传送容量,大大提高传送过程中产生错误的情况下校正数据的可利用性,并提高传送的校正数据的及时性,由参考GPS接收机(50)不断接收的GPS信号(12,22,32,42)和其位置(6)的已知坐标不断地计算出误差值并由此产生校正值(7)。本发明设置一个计算装置(60),它将在某一时刻计算出的校正值倒算成前一个整分时刻上的值。经计算装置处理过的校正值(8)由至少一个无线电广播发射台(80)作为插入其节目信号中的无线电广播数据信号(RDS信号)的数据加以发送。在用一携带的GPS接收机(120)测定其位置坐标的运动物体(5)上设置一个无线电广播接收机(90),它后接RDS解码器(100)和计算机(110)接收机和解码器用来对带有处理过的校正数据(8)的RDS信号进行接收和解码,计算机(110)用来从已解码的RDS信号中分离出校正数据(7)并将之推算成实际时刻上的值。此外,该计算机还重建符合RTCM标准的校正信号(7)。重建的标准校正数据馈入携带的GPS接收机,由其根据重建的校正数据(7)校正测量结果。

Description

运动物体定位系统
本发明涉及一种利用定位和导航卫星的运动物体定位系统及相应的接收装置。德国专利说明书DE4136136C1公布这样的一种系统和接收装置。
现已采用一种称为“全球定位系统(GPS系统)”、由卫星支持的方法用于运动物体的定位与导航。该法由所谓GPS卫星以例如1.575GHz的频率发射其轨道数据和高精度时钟时间。GPS卫星沿轨道运动时其位置相对于地面上的静止点不断变化。GPS接收机测量信号从卫星到接收机需要的时间，进而计算出它与各个GPS卫星的距离。因为GPS卫星的位置是已知的，所以能借助于4个GPS卫星计算出地球上接收机位置的空间座标及GPS接收机内部时钟的误差。但是，这样只能达到约±100米的精度。因为这一精度对于许多应用是不够的，现已采用下述方法提高精度(RTCM推荐的差分GPS业务标准，2.1版，第4章，1994年1月3日由美国海运业无线电技术委员会(RTCM)出版，地址：655Fifteenth Street，NW，Suite 30，Washington D.C.20005，USA)，一个位置座标精确已知的参考GPS接收机求出误差值并送出校正数据，运动的GPS接收机利用接收到的校正数据来校正它所求得的GPS测量数据。RTCM标准规定的校正数据的数据格式见上述文献4-3和4-8页并如下所述：
对应每个GPS卫星有各自的消息(“Message”)，其组成为：一个比例因子(Scale Factor)、一个关于误差范围的说明(UDRE＝用户差分距离误差)、相关卫星的标志(Satellite ID)、所谓伪距离校正值(PRC＝伪距离校正)、校验信号(奇偶校验)、PRC数据的预计变化速度值(RRC＝速度-距离校正)和一个关于校正值与哪些轨道数据相关的说明(数据出处)。各个消息不间断地连接成一序列，该序列被转换为字的序列，每个字由30位组成，连接时不考虑各个“消息”之间的边界。在每一“消息”序列前设置由2个30位长的字组成的序列头，以标示每一序列的开始。序列头的第一个30位字的开始是一入口符号串(段首标志)，其后为后继信息类型(Message Type)标志、发射台标志(Station ID)和一个校验字(奇偶校验)。序列头的第二个30位字由以下各部组成：时间信息(修改的Z计数)、序列号(SequenceNumber)、关于后继“消息”总长度(帧长)的说明、关于发射台的状况(台的运行状况的说明)和一个校验字(奇偶校验)。
按照DE 4136136C1，利用无线电广播机构的现有发射台网来实时地传送校正数据。校正数据按每37位为一组插入循环传送的无线电-数据(RDS)信号的空闲组内，该信号组在无线电广播节目信号内传送而听不到。因无线电数据系统的数据格式与上述GPS校正数据的数据格式不相匹配，需将每个序列的序列头和后继的“消息”按每37位为一组进行分组，然后分配给RDS信号循环中各个空闲的RDS组。这样的分组方式使插入到一个RDS组中的内容是完全随机的，不能加以标识。只有当每个序列的序列头和后继的“消息”所划分的所有RDS组先后被无干扰地接收时，才能由这些组重新组成GPS校正数据的数据格式，也才能使用。即使仅仅丢失一个RDS组，例如在调频接收机中干扰作用下丢失，便失去整个序列的信息，这意味着丢失该序列中全部(亦即所有相关GPS卫星的)“消息”的校正数据。此外，由于RDS系统本身的容量有限，在每一RDS循环(循环时间1秒)覆盖3个RDS组的情况下，所有GPS卫星的校正“消息”(即一个序列)的传送时间达几秒钟，这就使同时对所有GPS卫星算得的校正值随着传送时刻的向后推移而越来越失去及时性。随着诸如其它业务对RDS系统容量的需求，RDS系统中供传送校正值用的空闲容量越来越少，数据老化问题将相应地加剧。
本发明的目的在于改进上面所述的系统：减小对传送容量的需求、大大提高有干扰传送条件下校正数据的可利用性以及提高所传送的校正数据的及时性。此外本发明创建一个接收装置，用以在接收端实现以上目标。
上述目的是通过本发明的系统和接收装置所具备的特征实现的。
本发明的系统和接收装置在结构上的好处和进一步改进的可能性是通过以下技术解决方案获得的。
下面结合附图所示实施例对本发明加以说明。附图中
图1为符合所谓“差分GPS”的现有定位系统的示意图；
图2为本发明的系统中发送端结构方框图；
图3为本发明的系统中接收端结构方框图；
图4为反复传送的RDS信号循环的数据格式示意图，这个循环含有用于对一个GPS卫星进行校正的全部数据；
图5为偶尔传送的RDS信号循环的数据格式示意图，这个循环含有由接收到的GPS信号导出的时间信息(修改的Z计数)；
图6为RDS信号循环的数据格式示意图，这个循环含有由接收到的GPS信号导出的数据标识信息(IOD)。
由图1可见，该图示出的定位系统依赖于所谓GPS卫星1至4。这些卫星绕地球运行，其相对于地面上静止点的位置不断改变。示出的GPS卫星个数仅是最低数，实际上有很多的GPS卫星绕地球运行，它们形成一个密集的网。
安装在地面8上运动物体5内的GPS接收机120(图3)可根据接收到的GPS信号11、21、31和41确定其空间座标，但精度仅为约±100米。其误差一部分由系统产生、另一部分由大气干扰引起。为提高测量精度，在所谓“差分GPS”系统中，在位置6上设有一个位置座标精确已知的、固定安装的参考GPS接收和处理单元50。参考GPS接收与处理单元50由其接收到的GPS信号12、22、32和42以及已知的位置座标不断地计算出误差值。由这些误差值按标准的数据格式构成校正数据7，该数据被实时地传送给运动物体5的GPS接收机120。单元50由例如一台或几台GPS接收机以及一台后接的计算机组成。该计算机上的参考站软件附带也能输出校正数据7。此外，单元50也可单独由一台GPS接收机组成，由集成的组件形成校正数据7。根据运动的GPS接收机120接收到的校正数据7，测得的瞬时位置座标可校正到精度达±1米。这些校正数据的数值仅在参考GPS接收与处理单元50周围的一定范围内有效。
为保证校正数据7的传送能覆盖其有效地域，规定本发明的系统在无线电广播节目信号内传送校正数据7。如图2所示，由参考GPS接收与处理单元50经卫星接收天线51接收的GPS信号12至42求得座标(测量值)，但它们由于各种影响而具有误差。通过与已知的接收天线51的精确位置座标比较，参考GPS接收与处理单元50产生标准格式的校正数据7。这些修正数据7由一后接计算机60进行处理并输送给无线电广播发射机80(调频或调幅发射机)中的RDS编码器70，RDS编码器70以后面还要详述的方法按规定格式将处理过的校正数据8插入RDS数据流中。如此填补后的RDS信号9加到无线电广播节目信号内由无线电广播发射机80经发射塔81发送，覆盖一定的区域。
设在运动物体5上的无线电广播接收机90(图3)调谐到无线电广播发射机80的载波频率，通过其接收天线91在接收无线电广播发射机80的无线电广播节目信号时一并接收填补了处理过的校正数据的RDS信号9。在后接的RDS解码器100从无线电广播节目信号中分离出RDS信号9，加以解码并输送给计算机110，该计算机将处理过的校正数据8从RDS信号中分离出来，用以重新组成标准格式的校正数据7。重新组成的标准格式的校正信号7由计算机110输送给物体5的GPS接收机120，该接收机经卫星接收天线119接收GPS信号11至41，由此导出座标测量值。在GPS接收机120内借助于重组的校正数据7对导出的座标测量值进行校正。经校正的座标值121由GPS接收机送给输出装置130。
在参考GPS接收与处理单元中形成的校正数据7符合前面所述标准，包含有分别对应于每一GPS卫星1、2、3、4的伪距离校正数据值(下面称为PRC数据)，这些值对其计算的时刻适用。此外，在参考GPS接收与处理单元中形成的校正数据中还包含PRC数据的变动速度值。这些变动速度值在下面称为RRC数据。由PRC和RRC数据可推算出晚于PRC数据计算时刻的实际时刻上的实时PRC值，所得到的实时PRC值的精度取决于被当作RRC数据的先前变动速度与实际变动速度的相符程度。
本发明利用调频或调幅无线电广播的无线电数据系统(RDS)来传送校正数据7。该系统将RDS数据流调制到例如57KHz的副载波上，将之不可闻地插入调频或调幅无线电广播发射机节目信号的基带。RDS数据流的数据格式为循环传送的数据块序列。由图4可见，一个RDS循环包含较长的数据块10、20、30和40，它们分别由一较短的校验字10a、20a、30a和40a互相分开。通常4个数据块10、20、30和40构成一个含有37位空闲数据容量的RDS组。在讨论的图4实施例中，按照欧洲RDS标准(CENELEC)EN50067较长的数据块10和20包含节目标识码PI和节目类型码PTY。RDS组的空闲数据容量用来容纳对应一个GPS卫星的校正数据，其中PRC数据则插入块30，RRC数据与相关GPS卫星的标志(“卫星号”)、时间标记(“时间开关”)、比例因子及IOD标记(“IOD开关”)一同插入块40。
为了将对应每个卫星的PRC和RRC数据的数据量缩减到RDS信号循环的一个组的数据容量即37位，GPS校正数据值的标准数据格式(参见前面所述差分GPS业务标准)不传送序列头及校验字(奇偶校验)。RTCM标准规定的校验字(奇偶校验)无疑可予删略，因为RDS数据格式在每两个较长数据块之间的较短数据块内已经包含格式所固有的校验字。删略序列头意味着不再连续传送有关计算全部卫星的校正数据值的时刻的信息(修改的Z计数)。为了既作此删略而仍能随时间地配置校正数据值，本发明在计算机60(图2)中利用RRC数据倒算出前一整分时刻上的PRC数据值。这可用下面的例子加以说明：
在12：01：11时刻，Z计数的值为71(在12：00：00时刻后的60秒加11秒)。若PRC值为+10.32m，RRC值为+0.98m/s。
则当变动速度(RRC值)为+0.98m/s时，倒算到时刻12：01：00(Z计数的值为60)上的PRC值为-0.46m(+10.32m减0.98m/s×11s)。
倒算的PRC数据与RRC数据一起作为处理过的校正数据8进行传送。接收端的计算机110利用相关的RRC数据和计算机内部的Z计数重新把倒算的PRC数据推算到瞬时实际值。这可用下面的例子加以说明：
变动速度(RRC值)为+0.98m/s时，推算到时刻12：01：12(Z计数的值为72)上的PRC值为+11.30m(-0.46加0.98m/s×12s)。
为了使计算机始终能无疑问地识别接收到的倒算PRC值适用于哪一整分钟，在数据块40中同时传送前述时间标记(0＝偶数分；1＝奇数分)。此外，计算机内部的Z计数随时(例如每分钟1至2次)同时间信息(修改的Z计数)同步。该时间信息按照图5所示方式与发射台标志(Station ID)一同在数据块30和40内偶尔被发送，而不占用图4所示的数据块。此外，在块30和40中附带发送标志IOD(数据标识)，这样，用不同频次向计算机110传送该计算机所需的全部数据和标志，以便RDS数据流中得到的各部分信息重新组成标准格式的RTCM校正信号。计算机110根据它已知的奇偶校验规则由接收到的各部分信息直接推导出标准的RTCM校正信号的奇偶校验字，并按标准将其插入。
将对应每个卫星的校正数据缩减到37位，不但能在单个RDS组(37位容量)中传送对应一个卫星的全部校正数据，对9个卫星而言，这意味着从原来的680位缩减到333(9×37位)；而且获得了RDS数据格式与RTCM数据格式之间明确的、可重复的对应关系。因此，在现有技术水平上，由干扰造成的一个RDS组的丢失不再意味着丢失对应全部9个卫星的校正数据，而只是丢失受干扰的RDS组所对应的那个卫星的校正数据。
本发明的系统用这一方法可以大大提高传送的抗干扰性。
为提高传送的校正数据的及时性，在每次将PRC和RRC数据插入RDS组后，在计算机110中更新其余卫星的PRC和RRC数据。这样可使校正数据的平均寿命比现有技术缩短一半以上。现有技术必须在同一时刻计算对应全部卫星的校正数据，而且由于分组插入RDS数据流，肯定不可能即时传送出去。
提高数据及时性的另一可能方法是：与变动速度(RRC)变化较大的PRC数据相比，其变动速度(RRC)保持相同或近似相同的那些PRC数据以较小的优先权插入RDS数据流。这样，通过较快地用实时RRC值来更新误差较大的先前RRC值，进一步提高了位置校正的精度。为在选择卫星数据时实施上述这种优先权控制，在例如20秒的时间段内对每一卫星至少作两次预测。一次预测以实时PRC和RRC值为依据，另一次预测以先前发送的PRC和RRC值为依据。多次预测中的偏差表示校正误差，该误差对于各个卫星可能是不同大小的，因此用这一误差的大小作为决定优先权的判据。

Claims (8)

1.利用定位和导航卫星(GPS卫星1、2、3、4)的运动物体(5)定位系统，卫星不断地改变其相对于地面上静止点的位置并发送GPS信号(11、21，31，41)，这些信号能使安装在运动物体(5)上的GPS接收机(120)确定其瞬时位置座标，系统具有：
-至少一台供参考用的其精确位置座标已知的GPS接收和处理单元(50)，该单元由不断接收到的GPS信号(12，22，32，42)和其位置(6)的已知位置座标连续不断地计算出误差值，并由此产生校正数据(7)，校正数据(7)包含有：
-适用于其计算时刻的伪距离校正值(PRC数据)以及
-反映PRC数据瞬时变动速度的值(RRC数据)；
-至少一台带有RDS编码器(70)的无线电广播发射机(80)，把产生的校正数据(7)作为插入其节目信号中的无线电数据系统信号(RDS信号)的数据发送出去；
-一台设置在运动物体(5)上带有RDS解码器(100)的无线电广播接收机(90)，它用于接收带有校正数据(7)的RDS信号并进行解码；以及
-一台计算机(110)，用来从解码后的RDS信号中分离出校正数据(7)，并将校正数据(7)馈入安装在运动物体(5)上的GPS接收机(120)，该接收机根据分离出的校正值校正其测量结果，
其特征是：
a)GPS接收与处理单元(50)后接一计算装置(60)，该装置
-利用相应的变动速度值(RRC数据)把某一时刻算出的PRC数据倒算成前一整分时刻上的PRC数据值，并且
-对每一GPS卫星，把倒算的PRC数据连同相应的RRC数据和相关卫星的标志插入RDS信号循环的单个RDS组中，并删除GPS校正信号标准格式中的一序列头；
b)在无线电广播接收机(90)的RDS解码器(100)后接的计算机(110)中，利用相应的变动速度值(RRC数据)和计算机内部生成的时间信息(内部Z计数)从对应每个GPS卫星的倒算PRC数据推算出实际时刻上的PRC数据值，并且
c)在计算机(110)中用校验字和不断的时间信息再建未予传送的序列头，并将它与对应每个卫星的推算PRC数据和相应的RRC数据一起组成校正数据(7)的标准格式。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是：每次把对应一个GPS卫星的处理过校正数据(8)插入RDS信号循环后更新所有卫星的PRC和RRC数据。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征是：计算装置(60)偶尔把由接收到的GPS信号导出的时间信息插入RDS循环的一个组中，该时间信息被计算机(110)用来对其内部生成的时间信息(内部Z计数)进行同步。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的系统，其特征是：计算装置(60)偶尔把由接收到的GPS信号导出的数据标识信息(IOD)插入RDS信号循环的一个组中，该信息被计算机(110)用来重建标准格式的校正数据(7)。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的系统，其特征是：计算装置(60)不断地对每一GPS卫星确定先前作为RRC数据传送的变动速度与实时变动速度值的相符程度，并且，计算装置(60)按照优先权控制原理把实时变动速度相符程度较差的卫星相应的校正数据优先于变动速度相符程度较好的卫星所对应的校正数据插入RDS信号循环。
6.用于借助定位和导航卫星(GPS卫星)对运动物体(5)定位的接收装置，卫星不断地改变其相对于地面上静止点的位置并发送GPS信号，该信号能使安装在运动物体(5)上的GPS接收机(120)确定其瞬时位置和高度座标，设置的接收装置用于接收校正数据，校正数据由适用于其计算时刻的伪距离校正值(PRC数据)及反映PRC数据的变动速度的值(RRC数据)组成，校正数据作为插入无线电广播节目信号中的无线电数据系统信号(RDS信号)的数据被发送，接收装置具有：
-一个装置(90，100)，用于不断地接收带有校正数据的RDS信号并进行解码；以及
-一台计算机(110)，用来从解码后的RDS信号中分离出校正数据，并把校正数据馈入安装在运动物体(5)上的GPS接收机(120)，该接收机根据分离出的校正数据校正其测量结果。
其特征是：由于处理过的校正数据(8)中已将在某一时刻算得的PRC数据借助于相应的变动速度值(RRC数据)倒算成前一整分时刻上的PRC数据值，为充分利用校正数据(8)计算机(110)完成以下工作：
a)利用相应的变动速度值(RRC数据)和计算机内部生成的时间信息(内部Z计数)，把对应每个GPS卫星的倒算PRC数据推算成实际时刻上的PRC数据值，
b)用校验字和不断的时间信息重建未予传送的、标准的校正数据格式中规定的序列头，并将它与对应每个GPS卫星的推算PRC数据和相应RRC数据一起组成标准的校正数据格式。
7.如权利要求6所述的接收装置，其特征是：偶尔插入RDS信号循环的一个组中的、从接收到的GPS信号导出的时间信息被计算机(110)用来使其内部生成的时间信息(内部Z计数)同步。
8.如权利要求6或7所述的接收装置，其特征是：偶尔插入RDS信号循环的一个组中的、从接收到的GPS信号导出的数据标识信息(IOD)被计算机(110)用来重建标准的校正数据(7)。
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