CN1210984A - 卫星实时定位方法与系统尤其是全球定位系统的改进 - Google Patents

Abstract

通过从一点到地球表面的定位方法,可在已知坐标基准站和一个要在定位点移动的物体上同时接收到通过卫星星座向地球方向以频率(L1和L2)发射的无线电频率信号,然后进行初始化处理从而去除来自各个观测卫星的信号的相位不确定性。这样,初始化结束后的运动学处理可以在移动台移动时跟踪信号相位环行,根据对应于比卫星星座发射频率波长更长的两个表观频率的相位测量线性组合,初始化处理确定点坐标。

Description

卫星实时定位方法与系统 尤其是全球定位系统的改进

本发明涉及的是从某一点到地球表面的卫星实时定位。

本发明推出的方法和系统适用于需要了解移动台在地球表面三维位置的各种技术领域，精确度为1厘米。例如：大地测量学，地形测量学，地震测量学，水文地理学，机器人学等。

关于卫星定位技术，尤其是全球定位系统(GPS)的概况，可参考法国专利2715230的导论部分。

我们还要提示一下，全球定位系统用两个频率发送，一般称为L1和L2。

上述法国专利曾推出了一种无线电卫星定位技术，该技术可以使操作员无须在运动学测定之前通过静态测量进行初始化预置而获得厘米精确度的结果，即便在丢失卫星信号时，也无须返回最初的定位点。

主要描述的算法与使用单一的频率L1系统相对应。初始化相位并入一个快速收敛过程---可以是接收器及其接收天线在移动中进行---可以使随后的运动在大约3至10分钟后启动。这3至10分钟是上述专利中表明的，对应于单一频率的运行。

本发明对这一原理进行了发展，它以新颖的方式使用系统的两个频率，可以减少几秒钟的初始化时间，尤其是在实施与上述专利所述的同一类型的收敛算法时，但不仅限于此例。

我们知道全球定位系统的星座卫星发送频率L1,L2分别是1575.42GHZ和1227.60GHZ，波长分别是19厘米和24.4厘米。

为了便于研究不确定性问题，按传统的方式我们建议不直接使用以L1和L2频率进行的相位测量，而使用对应于L3=L1-L2的测量的线性组合(根据英语术语，这一技术称为宽带“Wide-Laning”，专业人员都知道)。这个技术提供的特点是不确定性更大(L1不是19厘米，而是86厘米)。但阻止了噪声的放大，且比率更大(在L1和L2的测量上，1.9厘米假设噪声0.3厘米)。

本发明建议使用基频L1和L2的线性组合，它产生更大的不确定性，并通过一种处理抵消线性组合所产生的很高的噪声。

因此本发明推出了一种在地球表面定位的方法，在该方法中我们在已知的坐标基准站和定位点上移动的移动台上同时接收到通过卫星星座向地球方向在两个频率(L1和L2)上发送的无线电信号，然后进行初始化处理，并通过初始化处理去除来自各个不同观测卫星的信号相位的不确定性，这样初始化结束后，进行运动学处理，该运动学处理可在移动台移动时跟踪信号相位环行，其特征是：根据对应于比卫星星座发射频率(L1和L2)波长更长的两个表观频率的相位测量的线性组合，初始化处理进行诸点坐标的确定，且线性地组合源于这两个频率的每一个频率上不确定性的测绘的位置，以便减少其噪声。

正如我们所理解的那样，我们在信号上进行不确定性的测绘，其信号的频率与长的波长相对应，但是这些频率的噪声减少了，我们可以进行安全的测定了。

在应用全球定位系统的基本原理中，相位组合优先与频率L4=4L2-3L1和L4=4L1-5L2相对应。

由这些组合产生的噪声是相反的符号，比率为1.43，这样噪声通过下列线性组合得以抵消：

X=(1.43XL4+XL5)/2.43

Y=(1.43YL4+YL5)/2.43

Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43

其中XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5是对于该点根据频率L4和L5上相位测量确定的坐标。

此外，我们通过以下的比较大大改善了最终结果的有效性，这是通过将处理开始的瞬间t0和当前瞬间t1之间的所测量位相的变化与自确认点起这些同样瞬间之间的所计算的移动台-----卫星距离的变化进行比较而实现的。与法国专利2715230所述的余数变化的测试相比较，该测试的优越性是进行相位整体测量，而不是仅对其部分进行测量。这样大大提高了灵敏性和运行的可靠性。

此外，为了充分开发使用L1和L2两个频率产生的性能，我们进行了电离层延迟的校正处理。该处理适用于所有的计算相位：初始的和运动学的。我们利用的结果是两个频率L1和L2上所观察到的电离层延迟与频率的平方成反比。这样我们通过将下列关系式用于计算的位置来补偿该延迟的作用：

X=(1.65XL1-XL2)/0.65

Y=(1.65YL1-YL2)/0.65

Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65

其中XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是根据对频率L1和L2进行相位测量所计算出的坐标。

对余数的计算也使用同样的原理。

这种计算的新颖性是用于结果，而不是用于测量。

下文中还叙述了本发明的其他特征和优越性。下文所述仅仅是一个范例，可以不限于此例。阅读下文须参考附图。

附图1是本发明一种实施方式的示意图。

附图2通过方框图表示了实现符合按本发明的操作方式的方法的处理。

附图1中表示的定位系统主要有一个固定站1，位于已知坐标点上，一个操作员要在所定位的点移动的移动台2。站1和移动台2分别装有设备3以便接收来自NAVSTAR星座全球定位系统卫星的信号。该设备3是专业人员知道的，设备上都装有全球定位系统的接收天线和信号解调装置。

基站1同样也装有设备4，以便用无线电频率向移动台2发送信息。

移动台2带有接收器5，以便接收从站1发送器4发送的信息。

站1和移动台2的接收器3记录从每个观测卫星接收到的信号载波相位。这样站1接收到的数据通过发射器4被传送到移动台2。

基站1不进行任何计算，仅仅把接收到的信号传送给移动台2。

基站1接收到的信号和移动台2接收到的信号的相位差，以及由表现移动台2的单元U所写的内容得到处理以便去除相位的不确定性，确定移动台2的位置，了解基站1的位置以及所观测卫星的星历表。

移动台2带有显示器2a，所计算的坐标就被传送到显示器2a上。移动台2还装有记录这些坐标的设备和一个键盘(没有表示出来)，这样当天线定位于定位点时，操作员可以控制所显示出的所计算坐标的存储。

单元U进行的处理按图2中的方框图操作。

在第一个步骤(步骤6)中，单元U确定接收到的无线电卫星信号的质量。

当信息不足时，消息7则显示在移动台2的设备2a上。

相反，如果信息充足，单元U进行快速的初始化处理8，然后是运动学连续的处理9。

处理8主要有三个步骤，这三个步骤是：

---确定相邻近的明确位置(步骤10)

---在一个确定的点上进行再定位处理(步骤11)

---有效性测试(步骤12)

在步骤10中，组合专行人员熟知的频率L1和L2和在“P”码上进行测量而提取的伪距离的频率的三个相差值的使用，对相邻近的明确位置进行确定处理。这个步骤根据上述方法修正电离层校准的结果。

在步骤11中，通过快速收敛进行校准过程，它与法国专利2715230是对应的，可以参照法国专利。

但是，过程的实施首先不再是如上述专利所述在频率L1，而是通过使用频率L1和L2的线性组合，产生波长更大的表观频率L4和L5。已选择的线性组合4L2-3L1和4L1-5L2与L4的波长1.64米和L5的波长1.83米相对应，假设L1上为3毫米。L2上为4毫米，它对L4产生的噪声放大率是12.9厘米，对L5产生的噪声放大率是18.5厘米。不直接使用受这些很高噪声损害的位置L4和L5的结果，而使用专门的线性组合，它几乎完全可以去掉噪声。

用L4和L5的确定值，L4和L5上的相位测量产生的噪声是相反的符号，比率为1.43。

如果我们将XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5称作L4和L5上相位测量所确定点的坐标，不产生倾斜的一点由以下公式给出：

X=(1.43XL4+XL5)/2.43

Y=(1.43YL4+YL5)/2.43

Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43

上述处理可在非常快的时间内(几秒钟至10几秒，安全性99.9％)初始化移动台的被计算的位置。

上文给出的频率L4和L5的值是适合于全球定位系统的，但是其它值当然可以考虑。

初始化步骤结束时，通过实施电离层误差效果的校正技术，确定一个再定位点。

事实上我们知道电离层延迟与工作频率的平方成反比。

得出的结果是两个频率间电离层的延迟与给出的关系相符，如L2和L1之间的电离层延迟是1.65。

在远距离中(即超出10公里)，电离层延迟常常是误差的主要原因。

在这种情况下，一旦测出消除这两个频率上的不确定性，对两个频率计算的残留误差的观测表明了偏差的比率。例如：

δXL2=1.65δXL1

δYL2=1.65δYL1

δZL2=1.65δZL1

此外，每个卫星上观测到的余数是处于同一关系。由于在上游没有电离层错误的校正，在干扰相干性测试时，这些余数可以增高。但是当余数由于电离层的延迟而增高时，下列复合余数实际等于0。

Res=(0.65^＊ResL1-ResL2)/0.65

其中ResL1和ResL2是L1和L2上的余数。

因此，在动态测定时，步骤15或动态确定时实施的余数测试的实施最好用这样的复合余数，即便是在电离层强烈干扰时，它可用于位置线的相干性测试。该技术的实施可用于距离超过通常被视为最大限度的10公里的系统。

相近点测定后，通过步骤10和11的处理进行再定位，然后在步骤12中进行有效性测试，尤其是余数检查测试13(也称为相干性测试)，与法国专利2715230所述相似，并进行从位置有效后测量和所计算距离的被比较的变化的测试14。

在测试14中，将对应于在处理开始的瞬间t0与当前的瞬间t1之间测量的相位的变化与移动台-卫星在这两个瞬间的理论距离进行比较。

这两个变化之间的鉴别只能在真实点上核实。

这样有效性的测试，不仅侧重发射相位的功能部分，还侧重其环行数，使其更灵敏。并且可以探测在开始瞬间和当前瞬间之间在所测量的距离中的某个或另一个之上可能发生的环行跳跃。

在运动学处理(步骤9)期间，仅借助频率L1和L2计算一个点。

连续运动学位置的有效性测试在每次计算都要返回到步骤12，以便进行余数检查测试以及相位变化检查测试。

同样在这个运动期间，通过按以下公式计算坐标X,Y,Z，得以确定L1和L2上的位置坐标，关系式如下：

X=(1.65XL1-XL2)/0.65

Y=(1.65YL1-YL2)/0.65

Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65

这样也考虑到电离层的误差。上述关系式中的XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是L1和L2上观测到的相位的测量所确定的坐标。

Claims (6)

1．通过从一点到地球表面的定位方法，在已知坐标基准站和一个要定位的点上移动的移动台上同时接收到通过卫星星座向地球方向以频率(L1和L2)发射的无线电频率信号，然后进行初始化处理并通过初始化处理去除来自各个观测卫星的信号的相位的不确定性，并进行初始化结束后的运行学处理可以在移动台移动时跟踪信号相位环行，其特征是：根据对应于比卫星星座发射频率(L1和L2)波长更长的两个表观频率(L4和L5)的相位测量线性组合，初始化处理确定诸点的坐标，且线性地组合源于这两个频率的每一个频率上的不确定性的测绘的位置，以便去掉噪声。

2．根据权利要求1所述的全球定位系统的无线电定位方法，其特征在于：相位测量在频率L4=4L2-3L1和L5=4L1-5L2上进行，其中L1和L2是全球定位系统的两个发射频率，我们用下式计算某一点的非干扰坐标X,Y,Z：

X=(1.43XL4+XL5)/2.43

Y=(1.43YL4+YL5)/2.43

Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43其中XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5都是根据频率L4和L5的相位测量为该点确定的这一点的坐标。

3．根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在初始化处理期间或运动学处理期间，进行位置有效性测试，该测试将对应于处理开始的瞬间t0和当前瞬间t1之间的所测量相位变化和自确认点起这两个瞬间之间所计算的移动台一卫星的理论距离变化的比较。

4．根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在初始化处理期间或运动学处理期间，在所计算位置上进行电离层延迟校准处理。

5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在两个频率Li和Lj的相位测量上计算余数ResLi,ResLj，还计算复合余数：

Res=(λ*ResLi-ResLj)/(λ-1)

6．根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在连续运动期间按如下计算确定某点的坐标X,Y,Z,

X=(1.65XL1-XL2)/0.65

Y=(1.65YL1-YL2)/0.65

Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65其中XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是与频率L1和L2的相位测量相对应的坐标。

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