CN1833180A - 用于生成广域或全球差分gps系统的时钟校正的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生成用于WAGPS网络的卫星时钟校正的方法计算在移除其他基本误差分量后的卫星时钟校正。从使用双频GPS测量在参考站进行的GPS测量中消除由电离层折射效应引起的误差。通过使用载波相位测量平滑GPS伪距码测量消除多径噪声。通过模拟，大大地消除对流层折射效应，并且如果需要，通过使用包括在时钟校正的计算中的小的随机调整进行改进。在移出上述误差因素后，对单个参考站，计算卫星时钟校正，并且通过在卫星可见的参考站上采用卫星时钟校正的平均值或加权平均值形成用于多个卫星的每一个的平均时钟校正。

Description

用于生成广域或全球差分GPS系统的时钟校正的方法

技术领域

本发明通常涉及使用全球定位系统(GPS)的定位和导航系统，以及更具体地说，涉及计算用于广域或全球差分GPS(DGPS)网络的卫星时钟校正的方法。

背景技术

GPS使用太空中的卫星来定位地球上的物体。通过GPS，来自卫星的信号到达GPS接收机以及用来确定GPS接收机的位置。目前，对应于具有锁定的GPS卫星信号的每个相关器频道的两种GPS测量可用于民用GPS接收机。对分别具有频率1.5754GHz和1.2276GHz，或波长0.1903m和0.2442m的两种载波信号，L1和L2，两种GPS测量是伪距和综合载波相位。一些接收机输出仅是两个连续综合载波相位测量中的差值的多普勒测量。伪距测量(或码测量(code measurement))是所有GPS接收机类型可进行的基本GPS可观测的。它利用调制到载波信号上的C/A或P码。测量记录相关码从卫星传播到接收机所花的视时，即根据卫星时钟，编码信号离开卫星的时间减去根据接收机时钟，到达接收机的时间。

通过当到达接收机时，积分编码信号的重构载波获得载波相位测量。因此，载波相位测量也是由根据卫星时钟，信号离开卫星的时间和根据接收机时钟到达接收机的时间确定的传输时间的度量。然而，因为通常未精确地知道当接收机开始跟踪信号的载波相位时卫星和接收机间的转接中的初始完整周期(whole cycle)数，根据几个载波周期的期间，传输时间差可能出错，即，在载波相位测量中存在完整周期模糊。由于与C/A或P码相比，载波频率更高以及它们的脉冲更接近，载波相位测量比码测量更精确。另外，码测量比载波相位测量更受反射信号与直接信号的干扰的影响。该干扰也会导致码测量比载波相位测量更不准确。

通过可用的GPS测量，通过将信号传播时间乘以光速，计算GPS接收机和卫星间的范围或距离。这些范围通常称为伪距(假范围)，因为接收机时钟通常具有显著的时间误差，导致测量范围的常见偏离(common bias)。作为正常导航计算的一部分，连同接收机的位置坐标，解决与接收机时钟的该常见偏离。各种其他因素会导致计算范围中的误差或噪声，包括星历表误差、卫星时钟定时误差、大气效应、接收机噪声和多路径误差。为消除或降低这些误差，差分操作通常用在GPS应用中，以便抵消由这些误差源产生的伪距和/或载波相位测量中的噪声因素。差分GPS(DGPS)操作通常包含基本参考GPS(basereference GPS)接收机、用户GPS接收机以及用户和参考接收机间的通信机制。参考接收机位于已知位置，以及使用该已知位置来生成与一些或全部上述误差因素有关的校正。将该校正提供给用户接收机，然后用户接收机使用该校正来适当地校正其计算位置。该校正能以在参考位置确定的参考接收机位置的校正的形式，或以特定GPS卫星时钟和/或轨道的校正的形式。参考接收机位置的校正不灵活，因为为更精确，它们要求用户接收机和参考接收机观察到相同的卫星。

差分GPS(DGPS)的基本原理是利用GPS测量中固有的误差的空间和时间相关性。在参考接收机和用户接收机间极佳地校正伪距或载波相位测量上出现为偏离的GPS卫星时钟定时误差。因此，DGPS系统能完全消除时钟误差，通常导致到用户位置的约几米的误差。

大气效应是由于GPS信号通过电离层的带电粒子，然后通过对流层中的水蒸汽。通常通过电离层折射模型模拟电离层对GPS信号的影响，并且模型中的误差导致计算范围的误差。在参考和用户接收机间的短距离上，在参考和用户接收机间，这些误差显著相关，但在大的距离上，相关性减小。

通常能模拟对流层中的GPS信号的折射以便去除对流层效应的90％至95％。当用户不漫游长距离时，剩余对流层错误能通过使用DGPS降低，因为只要用户离参考接收机几万米，对流层折射误差的相关性通常消失。因此，本身使用DGPS不产生剩余对流层折射误差的有意义降低。有时，由于将另外的误差引入所计算的用户位置，参考接收机的不相关误差甚至使情况更糟。

星历表或卫星轨道误差能模拟为具有沿轨道、穿过轨道和径向误差矢量。卫星轨道误差能通过使用DGPS系统降低。然而，降低有点有限，因为当参考和用户接收机间的间隔增加时，卫星轨道误差中的相关性逐渐地降低。在大陆距离(continental distance)上，大大地减小相关性。

在参考和用户接收机间，接收机噪声和多径(反射信号)效应通常是不相关的。这些误差效应有时通过使用DGPS系统放大。

为克服广域应用中DPGS系统的不准确度，已经开发了不同广域DGPS(WADGPS)技术。WADGPS包括与计算中心或集线器通信的多个参考站的网络。基于参考站的已知位置和由它们所进行的测量，在集线器处计算误差校正。然后经通信链路，诸如卫星、电话或无线电，将所计算的误差校正传送到用户。

在一些情况下，原始数据，诸如参考接收机的测量值和位置而不是校正值被提供给用户接收机。用户接收机能从特定参考站选择数据，或由来自多个参考站的数据的加权组合形成校正。

通过使用多个参考站，WADGPS提供误差校正的更精确估计。然而，使用多个参考站也会使误差校正的计算更复杂并且不同误差因素会彼此混淆，破坏GPS测量中固有的相关性。

发明内容

本发明包括用于生成用于广域差分GPS(WADGPS)网络的卫星时钟校正的方法。在本发明的一个实施例中，WADGPS网络包括多个参考站，每个具有双频GPS接收机，其便于在L1和L2载波信号上获得包括伪距码测量和载波相位测量的GPS测量。通过双频测量，能从在参考站获得的GPS测量完全消除电离层折射效应，或者，另外，能形成载波相位测量的线性组合以便匹配相应码测量的电离层折射效应。消除电离层折射效应或码测量和相应的载波相位测量上的电离层折射效应间的差允许利用相应的载波相位测量无限平滑码测量。反过来，这允许在平滑一特定的时间周期，诸如10分钟或更多后，有效(virtual)消除多径噪声。当WADGPS网络是全球DGPS网络时，卫星轨道误差，因为它们变化非常慢，能在单独的计算过程中消除，或当WADGPS网络用于大陆大小区域时，能被简单忽略。通过模拟能大大地消除对流层折射效应，如果需要，能通过使用包括在计算时钟校正中的小的随机调整得到改进。在去除上述误差因素后，对单个参考站，计算卫星时钟校正。此后，通过采用在卫星可见的参考站上的卫星时钟校正的平均或加权平均，形成用于多个卫星的每一个的平均时钟校正。

因为本发明的方法在去除所有其他基本误差分量后，计算卫星时钟校正，与通常采用Kalman滤波器来同时解决许多不同参数的传统的方法，该方法相当简单且非常鲁棒。这些传统的方法的缺点在于各个误差源能彼此混叠以及破坏卫星时钟校正中固有的最佳相关性。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的WADGPS网络的框图。

图2A是在根据本发明的一个实施例的WADGPS网络中，用作主计算机系统的例子的计算机系统的例子的计算机系统的框图。

图2B是在根据本发明的一个实施例的WADGPS网络中，参考站处的计算机系统的框图。

图3A是示例说明根据本发明的一个实施例，用于形成平滑折射校正码测量的方法的流程图。

图3B是示例说明根据本发明的一个实施例，用于平滑折射校正码测量的方法的流程图。

图3C是示例说明根据本发明的可选实施例，用于平滑折射校正码测量的方法的流程图。

图4A是示例说明根据本发明的一个实施例，用于计算用于WADGPS网络的卫星时钟校正的方法的流程图。

图4B是示例说明根据本发明的可选实施例，用于计算用于WADGPS网络的卫星时钟校正的方法的流程图。

图4C是示例说明根据本发明的另一可选实施例，用于计算用于WADGPS网络的卫星时钟校正的方法的流程图。

图4D是示例说明根据本发明的又一可选实施例，用于计算用于WADGPS网络的卫星时钟校正的方法的流程图。

具体实施方式

图1示例说明根据本发明的一个实施例的广域或全球DGPS(WADGPS)系统100。如图1所示，WADGPS网络100包括多个卫星110、多个参考站120，分别具有GPS接收机122，以及在卫星110和参考站120间的通信链路(未示出)。参考站120位于用于广域DPGS系统的诸如大陆的广域101上的已知位置或位于用于全球DGPS网络的地球上的已知位置。WADGPS网络100可以由一个或多个用户140使用，每个具有用户GPS接收机142，用于定位和/或导航目的。

WADGPS系统100进一步包括主计算机系统(图1中未示出)，在参考站间共享。主计算机系统能位于参考站的一个中或在一个不同的位置或在区域101附近。图2A表示能用来作为主计算机系统的示例性计算机系统200的框图。参考图2A，计算机系统200能是经互联网和/或不同其他通信链路耦合到参考站120的基于微处理器的计算机。计算机系统200包括中央处理单元(CPU)202、存储器210、多个输入端口204和输出端口206，以及(可选地)用户接口208，通过一个或多个通信总线209耦合到彼此。存储器210可以包括高速随机存取存储器和可以包括非易失海量存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备。存储器210可以包括海量存储器，其远离中央处理单元202放置。存储器210最好存储操作系统212、数据库214以及GPS应用过程216，包括用于在本发明的实施例中用于生成卫星时钟校正的方法的过程218，如下面详细所述。在存储器210中存储的操作系统212和应用程序和过程216和218由计算机系统200的CPU 202执行。存储器210最好还存储在执行GPS应用过程216和218期间使用的数据结构，包括如下所述的平滑折射校正码测量和与各个参考站有关的平均接收机时钟误差以及在本文中所论述的其他数据结构。

操作系统212可以是，但不限于嵌入的操作系统，UNIX、Solaris，或Windows95，98，NT4.0，2000或XP。一般来说，操作系统212具有适用于通信、处理、存取和存储数据，以及用于执行其他基本操作的过程和指令。

输入端口204用于从参考站120接收数据，以及输出端口206用于输出数据和/或计算结果。数据和计算结果也可以在用户接口208的显示设备上示出。在本发明的一个实施例中，在参考站取得的GPS测量数据发送到计算机系统200的输入端口204以用于根据过程218由计算机系统200进行处理，如下面更详细所述。通过计算机系统200的输出端口206输出计算结果，以及经冗余通信链路发送到参考站220中的上行注入站(upload station)。加载站将校正数据发送到一个或多个卫星210用于广播给用户240。

计算机系统200通常包括非常高速的处理器，因为它可以需要处理来自多个GPS接收机的原始GPS测量数据。大欧WADGPS系统通常具有约3至10个参考接收机并且全球WADGPS系统通常具有约20至100个参考接收机，将数据输送到计算机系统200。

在一些应用中，参考站120的每一个可以包括耦合到GPS接收机122的计算机系统124。如图2B所示，耦合到参考站120的GPS接收机122的计算机系统124包括中央处理单元(CPU)126、存储器128和输入端口134和输出端口136，以及(可选地)用户接口138，通过一个或多个通信总线129彼此耦合。存储器128可以包括高速随机存取存储器并且可以包括非易失海量存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备。存储器128最好存储操作系统131、数据库133和GPS应用过程135。GPS应用过程可以包括如下详细所述的用于在本发明的实施例中实现形成平滑折射校正码测量的方法的过程137。在存储器128中存储的操作系统131和应用程序和过程135和137由计算机系统124的CPU126执行。存储器128最好也存储在执行GPS应用过程135和137期间使用的数据结构，包括GPS伪距和载波相位测量139，以及在本文献中论述的其他数据结构。

输入端口134用于从GPS接收机122接收数据，并且输出端口136用于将数据和/或计算结果输出到WADGPS系统的主计算机系统200。数据和计算结果也可以显示在用户接口138的显示设备上。在本发明的一个实施例中，计算机系统124的CPU 126、存储器128和输入端口134与GPS接收机122集成到单一外壳内的单个设备中，如由图2B中的虚线所示。然而，不需要这种集成来执行本发明的方法。

在本发明的一个实施例中，使用与一个或多个参考站有关的平滑折射校正码测量计算卫星时钟校正。对一个或多个参考站的每一个，根据在参考站处的GPS接收机进行的伪距和载波相位测量，在每个测量历元(measurement epoch)形成平滑折射校正码测量。许多GPS接收机在L1或L2频率上进行C/A-码测量和P-码测量，并且C/A或P-码测量的任何一个能用作L1或L2码测量。然而，由于在两个测量间存在小的偏差，无论两个中的任何一个用在参考接收机中，相同的也应该被用于用户GPS接收机中的等效过程。在下述论述中，对参考站可见的每个卫星，L1和L2频率将分别表示为f₁和f₂，在测量历元的L1和L2频率上的原始伪距码测量将分别表示为P₁和P₂，以及在相同测量历元的L1和L2频率上的原始载波相位测量将表示为Φ₁和Φ₂。

图3A示例说明用于根据本发明的一个实施例的根据在参考站获得的GPS数据获得平滑的折射校正码测量的方法300。如图3A所示，方法300包括步骤310，其中，首先在参考站可见的每个卫星的原始码和载波相位测量被折射校正以获得折射校正码和载波相位测量。折射校正码测量，表示为P_RC，形成如下：

$P_{\mathrm{RC}}=\frac{{f_1}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{P}_1-\frac{{f_2}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{P}_2\≅P_1-1.5457(P_1-P_2).---\left(1\right)$

表示为L_RC的折射校正载波相位测量类似地形成如下：

$L_{\mathrm{RC}}=\frac{{f_1}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{L}_1-\frac{{f_2}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{L}_2\≅L_1-1.5457(L_1-L_2),---\left(2\right)$

其中L₁和L₂是分别由L₁和L₂信号的波长换算的载波相位测量，并且每个包括已经被增加以便使换算的载波相位测量接近与相应的码测量相同的值的约完整周期(whole-cycle)模糊值。因此，

L₁＝(₁+N₁)λ₁，                     (3)

L₂＝(₂+N₂)λ₂，                     (4)

其中，已经在开始载波相位跟踪时初始化N₁和N₂的完整周期值，以便提供在相应的码测量的一个载波波长内的值，从而使换算的载波相位测量和相应的码测量间的差小。从等式(2)的形式，注意到折射校正载波相位测量包括具有由f₁和f₂频率的总和确定的波长的完整周期模糊，约0.1070米。

因为根据等式(1)-(4)，通过在步骤310中执行的操作，已经从码测量和载波相位测量消除电离层效应，并且伪距和载波相位测量上的卫星时钟和轨道误差的效应相同，除了与载波相位测量有关的可能的完整周期模糊和码测量中的更高多径噪声外，在步骤310获得的P_RC和L_RC的值应当几乎相同。这允许形成载波相位平滑码测量，其接近载波相位的小的测量噪声，但没有相关的完整周期模糊。

因此，方法300进一步包括步骤320，其中通过相应的折射校正载波相位测量平滑折射校正码测量。在本发明的一个实施例中，如图3B所示，在两个子步骤，子步骤322和子步骤324中执行步骤320。在子步骤322中，对在参考站可见的每个卫星，计算在一系列测量历元的每一个处的折射校正码测量和折射校正载波相位测量间的偏移量，并且采用扩展平均(expanding average)来形成如下所示的平滑偏移Q_i：

$O_i=O_{i-1}+(P_{\mathrm{RC}}^i-L_{\mathrm{RC}}^i-O_{i-1})/\mathrm{\η},---\left(5\right)$

其中，i用来表示当前测量历元，以及η值等于i，直到获得取平均的最大值。例如，如果假定载波相位测量为仅具有码测量的噪声的1/100^th，“η”值将限制到100平方或10,000。

在予步骤324，通过将用于当前测量历元的折射校正载波相位测量添加到平滑偏移量，获得平滑的折射校正码测量S，以致

S_i＝Q_i+L_i。                             (6)

在另外的实施例中，用于执行上述步骤320的两个步骤过程能结合成单个步骤，以致：

其中

该单步骤过程使用折射校正载波相位测量中的变化，向前投影测量，然后平均投影和码测量间的差值。然而，两步过程具有能监视偏移量值的稳定性，并且如果需要的话，能使用值中的阚值变化来在编辑中删除错误的测量的优点。

图3C示例说明根据本发明的另一实施例根据在参考站获得的GPS数据获得平滑折射校正码测量的另一方法350。如图3C所示，方法350包括步骤360，其中，形成用于每个卫星的L₁和L₂的线性组合以便匹配在码测量P₁和P₂的每一个上的电离层折射效应。与P₁码测量上的电离层折射效应匹配的载波相位组合表示为M₁并形成如下：

$M_1=\frac{{f_1}^2+{f_2}^2}{{f_1}^2-{f_2}^2}{L}_1-\frac{2{f_2}^2}{{f_1}^2-{f_2}^2}{L}_2\≅4.09L_1-3.09L_2.---\left(8\right)$

与P2码测量上的电离层折射效应匹配的载波相位组合表示为M2并形成如下：

$M_2=\frac{{{2f}_1}^2}{{f_1}^2-{f_2}^2}{L}_1-\frac{{f_1}^2+{f_2}^2}{{f_1}^2-{f_2}^2}{L}_2\≅5.09L_1-4.09L_2.---\left(9\right)$

方法350进一步包括步骤370，其中，以与方程式(5)和(6)并行的方式形成的平滑码测量如下：

O_i，j＝O_i-1，j+(P_i，j-M_i，j-O_i-1，j)/η，           (10)

S_i，j＝O_i，j+M_i，j，                                (11)

或者，可选的，与方程式(7)并行如下：

其中，

其中，下标j用来表示两个不同频率处的测量，以致j＝1或2。

方法350进一步包括步骤380，其中，经下述方程式，获得最终平滑折射校正码测量：

$S_i=\frac{{f_1}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{S}_{i,1}-\frac{{f_2}^2}{({f_1}^2-{f_2}^2)}{S}_{i,2}\≅S_{i,1}-1.5457(S_{i,1}-S_{i,2})---\left(13\right)$

由第一方法，使用方程式(7)获得的平滑折射校正码测量的值在数学上等于由第二方法，使用方程式(13)获得的平滑折射校正码测量的值。然而，由于折射校正过程放大噪声，用于方程式(5)中的折射校正偏移量中的变化的任何编辑阈值必须大于方程式(10)的相应编辑阈值。

为计算卫星时钟校正，使用平滑折射校正码测量来计算用于相应GPS测量的余量如下：

$R_k^l=T_k^l-S_k^l---\left(14\right)$

其中，R_k ^l表示余量，下标k和和上标l分别表示特定参考站和特定卫星，为其形成余量R_k ^l，以及T_k ^l表示参考站k和卫星l间的理论范围。在等式(14)以及在所有下述论述中消除表示当前测量历元的下标i。理论范围T_k ^l可以通常使用参考站的已知位置计算。理论范围的计算可以包括基于用于对流层折射效应的理论模型计算的对流层折射效应的调整或校正。理论范围也可以包括用于卫星轨道误差的调整或校正。这些校正可以在单独的或离线模块中计算。也可以比计算时钟校正更低频地计算它们。

在本发明的一个实施例中，为生成卫星时钟校正，在包括WADGPS网络中的一些或所有参考站的一组参考站中，选择主站。基于其时钟是参考站组中最精确的判断或其具有可从参考站组中的最多卫星获得的测量的确定，或这些或其他因素的一些组合函数，或甚至是任意的，选择主参考站。除主参考站外的参考站在下文中称为局部(local)参考站。

图4A示例说明根据本发明的一个实施例的用于生成用于WADGPS网络200的卫星时钟校正的方法400。如图4A所示，方法400包括步骤410，其中在用于主参考站的当前测量历元i处，计算卫星时钟校正。在本发明的一个实施例，对主参考站，用于在主参考站可见的卫星的主时钟校正计算如下：

$r_0^l=R_0^l-M_0,---\left(15\right)$

其中，下标0用来表示主参考站，r₀ ^l表示计算的用于卫星l的主时钟校正，以及M₀表示主平均接收机时钟误差。注意在上述等式以及下述等式的一些中，用应用作为对测量范围的直接校正的距离表示卫星时钟校正。主平均接收机时钟误差计算如下：

$M_0=\frac{1}{m_0}\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}{R}_0^{\mathrm{\λ}},---\left(16\right)$

其中，求和是在主参考站处可见的卫星组上，λ表示卫星组的一个，以及m₀表示卫星组中的卫星数。

方法400进一步包括步骤420，其中，在当前测量历元i处，为一个或多个局部参考站计算卫星时钟校正，每个局部参考站具有至少一个与主参考站共用的卫星。或当两个参考站具有来自卫星的可用的GPS测量以便如上所述的在当前测量历元处形成用于卫星的平滑折射校正码测量时，参考站具有与另一参考站共用的卫星或者卫星共用于两个参考站。

对局部参考站，用于共用于局部参考站和主参考站的卫星的局部时钟校正计算如下：

$r_k^l=R_k^l-M_k,---\left(17\right)$

其中，r_k ^l表示用于卫星l的局部参考站k的局部时钟校正，以及M_k表示局部平均接收机时钟误差。局部平均接收机时钟误差计算如下：

$M_k=\frac{1}{m_k}\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(R_k^{\mathrm{\λ}}-r_0^{\mathrm{\λ}})=M_0+\mathrm{\Δ}{M}_k---\left(18\right)$

其中，求和是在主参考站和局部参考站k二者均可见的卫星组上，λ表示该组卫星的一个，m_k表示该组卫星中的卫星数量，以及

$\mathrm{\Δ}{M}_k=\frac{1}{m_k}\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(R_k^{\mathrm{\λ}}-R_0^{\mathrm{\λ}})=\frac{1}{m_k}\underset{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Σ}}(R_k^{\mathrm{\λ}}-r_0^{\mathrm{\λ}})-M_0$

表示用于局部参考站k的本地平均时钟误差和主平均接收机时钟误差间的差值。方程式(18)中的求和是在共用于主参考站和参考站k的卫星上，以及m_k表示此卫星的数量。一旦在方程式(18)中使用共用于主参考站和局部参考站的卫星获得M_k，通过对在局部参考站而不是主参考站可见的那些卫星，计算方程式(17)，能计算用于那些卫星的局部时钟校正。

在步骤420中获得用于各个参考站的卫星时钟校正后，方法400进一步包括步骤430，其中，为在主参考站可见的或在具有一个或多个与主参考站共用的卫星的一些或全部局部参考站可见的每个卫星计算平均时钟校正。在本发明的一个实施例中，通过平均在步骤420中为卫星计算的时钟校正来在步骤430为卫星计算平均时钟校正，如用下述方程式表示：

$c^l=\frac{1}{p}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{r}_k^l---\left(19\right)$

其中，求和是在参考站上进行的，其中对于这些参考站卫星i可见的并且p是这些参考站的数量。

图4B示例说明根据本发明的一可选实施例的生成用于WADGPS网络200的卫星时钟校正的方法450。在方法450中，迭代地计算卫星时钟校正。在每次迭代中，为局部参考站的小组的每一个计算等式(17)和(18)，并且等式(19)中的平均是在主参考站和局部参考站的小组上进行的。局部参考站的小组初始地不包括参考站并且在每次迭代中将局部参考站添加到局部参考站的小组中。

如图4B所示，方法450包括步骤455，其中，根据等式(15)和(16)，计算用于主参考站的卫星时钟校正。然后，方法450进入步骤460，其中，将第一局部参考站添加到局部参考站的小组中。第一局部参考站最好是具有与主参考站共用的最多数量的卫星的局部参考站。然后，方法450进入步骤470，其中，使用等式(15)至(18)，计算用于第一局部参考站的卫星时钟校正，以及进入步骤480，其中，通过使用等式(19)平均为主参考站和第一局部参考站计算的卫星时钟校正来计算平均时钟校正。

如果有具有与主参考站共用卫星的其他局部参考站，方法450回到步骤460以便将这些其他局部参考站的一个添加到局部参考站的小组中。通常，选择与主参考站共用其次最多数量的共用卫星的参考站。然后，在步骤470和480，使用等式(17)至(19)，方法450继续执行用于新的小组的计算，除了等式(18)中项r₀ ^l被使用使用等式(19)在前述迭代中在步骤470中计算的c^l代替外。因此，迭代继续直到与主参考站共用公用卫星的所有局部参考站已经包括在局部参考站的小组中并且考虑局部参考站的小组计算平均时钟校正。

等式(17)至(19)的迭代计算特别用于全球DGPS网络，因为当几乎没有在为其计算卫星时钟校正的主参考站位置和特定参考站位置处可见的共用卫星时，在全球DGPS网络中就会出现问题。这会导致不良定义或甚至不定义等式(19)，该问题可以通过方法450中的迭代过程来克服。

用于生成卫星时钟校正的方法400或450简单且有效。能进行该方法的各种改进以便提高所计算的卫星时钟校正的精度，而不脱离本发明的精神和范围。例如，能修改方法400或450以便为各个参考站计算的卫星时钟校正的加权组合用在等式(19)的右手侧来形成平均时钟校正。能在等式(19)中加权各个参考站以便反映在参考站可见的卫星的角位置，或在每个参考站处的GPS接收机的明显的噪声级。

也可以修改方法400或450以便允许通过使用传统的平滑滤波器，允许平均时钟误差M_k仅缓慢地从一个测量历元改变成下一测量历元。如果允许平均时钟误差M_k通过大的离散跳跃(discrete jump)改变，会导致时钟校正的阶跃变化，其接着就会混叠到用户接收机时钟解决方案中。如果用户GPS接收机采用不允许接收机时钟解决方案的阶跃变化的导航算法，这会导致导航误差。

还通过在方法400中的步骤420和430间增加步骤425，如图4C所示，或在方法450的步骤470和480间增加步骤475，如图4D所示，修改方法400或450。在步骤425或475中，将用于各个参考站的时钟校正的计算值彼此比较，并且如果发现用于一个参考站的时钟校正基本上与用于其他参考站的那些不同，在步骤430或470中计算平均时钟校正前，用替代值编辑或替代它。

根据通过其在等式中进行求和的卫星的仰角，通过在等式(16)的右手侧形成R₀ ^l的加权组合和/或在等式(18)的右手侧处形成(R_k ^l-r₀ ^l)的加权组合，修改方法400或450。同时，如果在等式(16)中，用于一个卫星的(R_k ^l-r₀ ^l)的值基本上不同于用于其他卫星所获得的那些值，能通过适当的替代值编辑或替代它。

也能使用输入等式(18)的右手侧上的求和的(R_k ^l-r₀ ^l)的值的扩展的估计来逐个位置地调整用来计算对流层折射效应的模型。小的随机调整能提高对局部天气条件的计算时钟校正的响应。这能通过调整间接(overhead)对流层折射系数的过程实现以便最小化不同参考站位置处的(R_k ^l-r₀ ^l)间的差值。在这种过程中，可以更高地加权来自具有低仰角的卫星的数据，因为它们对对流层折射效应更敏感。

上述方法300、350、400和450可以通过具有提供GPS伪距和载波相位测量的参考站的WADGPS系统的主计算机系统200执行。另外，可以通过耦合到参考站处的GPS接收机的计算机系统124在各个参考站的每一个计算平滑折射校正码测量和余量。根据本发明的实施例，将计算结果传送到主计算机系统200，用于进一步处理。

因此，本发明提供简单和有效的方法，生成用于WADGPS网络的GPS卫星时钟校正。计算卫星时钟校正不受电离层折射效应的影响，因为通过使用双频测量消除它们。卫星轨道误差，由于它们变化更缓慢，可以在当WADGPS网络是全球DGPS网络时在单独的计算过程中消除或者在当WADGPS网络是由于大陆大小的区域时简单地忽略。通过模拟，大大地消除对流层折射效应并且如果需要，能通过使用包括有时钟校正计算的小的随机调整改善。通过利用相应载波相位测量进行平滑，从码测量中消除多径效应。在消除这些误差因素后，本发明提供用于大陆大小的或全球GPS网络的卫星时钟校正的简单但非常精确的计算。

Claims (28)

1.一种用于生成GPS卫星时钟校正的方法，包括：

从多个卫星获得双频伪距码测量和载波相位测量；

对多个卫星的每一个，基于来自卫星的双频伪距码测量和载波相位测量，形成平滑折射校正码测量；以及

基于平滑折射校正码测量，计算用于多个卫星的时钟校正。

2.如权利要求1所述的方法，其中，形成用于每个卫星的平滑折射校正码测量包括：

对在当前测量历元前和包括当前测量历元的一系列测量历元的每一个，基于来自卫星的双频伪距码测量形成折射校正码测量和基于来自卫星的双频载波相位测量形成折射校正载波相位测量；以及

使用折射校正载波相位测量平滑折射校正码测量以便在当前测量历元获得平滑折射校正码测量。

3.如权利要求2所述的方法，其中，平滑折射校正码测量包括：

计算折射校正码测量和折射校正载波相位测量间的平滑偏移量；以及

通过将当前测量历元的折射校正载波相位测量增加到平滑偏移量中形成平滑折射校正码测量。

4.如权利要求2所述的方法，其中，平滑折射校正码测量包括：

使用两个连续测量历元间的载波相位测量的变化，形成平滑折射校正码测量的投影；

计算一系列测量历元上的投影和折射校正码测量间的差值的扩展平均值。

5.如权利要求1所述的方法，其中，来自多个卫星的每一个的双频伪距码测量和载波相位测量包括对应于两个载波信号频率的每一个和在一系列测量历元的每一个处的伪距码测量和载波相位测量，并且其中，形成用于每个卫星的平滑折射校正码测量包括：

对测量历元系列的每一个和对每个载波信号频率，形成对应于来自卫星的两个载波信号频率的载波相位测量的线性组合，以便载波相位测量的线性组合与来自卫星的载波信号频率的伪距码测量上的电离层折射效应相匹配；

通过利用双频载波相位测量的匹配线性组合平滑用于载波信号频率的伪距码测量，形成用于每个载波信号频率的平滑码测量；以及

基于用于两个载波信号频率的平滑码测量，计算平滑折射校正码测量。

6.如权利要求1所述的方法，其中，在具有已知位置的参考GPS接收机获得双频伪距码测量和载波相位测量，并且其中计算时钟校正包括：

通过从用于卫星的平滑折射校正码测量中减去参考GPS接收机和卫星间的理论范围，计算用于多个卫星的每一个的余量；

将平均接收机时钟误差形成为用于多个卫星的余量的线性组合；以及

通过从为该卫星计算的余量减去平均接收机时钟误差，计算用于多个卫星的每一个的时钟校正。

7.如权利要求6所述的方法，其中，理论范围包括用于对流层效应的调整。

8.如权利要求6所述的方法，其中，理论范围包括用于卫星轨道误差的调整。

9.如权利要求6所述的方法，其中，根据由参考GPS接收机观测的多个卫星的仰角，加权线性组合中的余量。

10.一种用于生成用于广域GPS网络中的多个卫星中的第一卫星的卫星时钟校正的方法，所述广域GPS网络具有包括主参考站和多个局部参考站的多个参考站，包括：

获得对应于在多个参考站的一些或全部处采用的GPS测量的平滑折射校正码测量；

对在主参考站可见的卫星组的每一个，使用对应于在主参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量，计算与主参考站有关的时钟校正；

对在其处第一卫星是可见的局部参考站组的每一个，使用对应于在局部参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量和与用于在主参考站和局部参考站均可见的卫星的主参考站有关的时钟校正，计算与用于第一卫星的局部参考站有关的时钟校正；以及

形成用于第一卫星的时钟校正的线性组合，线性组合中的时钟校正与在其处第一卫星是可见的不同参考站有关。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：

将在其处第一卫星是可见的局部参考站增加到局部参考站组以便形成新的局部参考站组；

对新的局部参考站组的每一个，使用对应于在局部参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量和线性组合，计算与用于第一卫星的局部参考站有关的时钟校正，以及

形成用于第一卫星的时钟校正的新线性组合，该新线性组合与在其处第一卫星是可见的不同参考站有关。

12.如权利要求10所述的方法，其中，根据在其处卫星对于不同的参考站是可见的仰角，加权线性组合中的时钟校正。

13.如权利要求10所述的方法，其中，获得对应于在多个参考站的一些或全部处采用的GPS测量的平滑折射校正码测量包括：

对多个参考站的一些或全部中的每个参考站，以及对在参考站可见的每个卫星，

基于在一系列测量历元在参考站从卫星接收的信号，分别使用双频GPS伪距测量和载波相位测量形成折射校正码测量和折射校正载波相位测量；以及

使用折射校正载波相位测量平滑折射校正码测量以便形成平滑折射校正码测量。

14.如权利要求10所述的方法，其中，获得对应于在多个参考站的一些或全部处采用的GPS测量的平滑折射校正码测量包括：

对多个参考站的一些或全部中的每个参考站，以及对在参考站可见的每个卫星，

在一系列测量历元的每一个以及对每个载波信号频率，形成双频载波相位测量的线性组合以便线性组合与相应的伪距码测量上的电离层折射效应匹配；

通过利用双频载波相位测量的相应线性组合平滑用于载波信号频率的伪距码测量，计算用于每个载波信号频率的平滑码测量；以及

组合平滑码测量以便形成平滑折射校正码测量。

15.如权利要求10所述的方法，其中，计算与用于在主参考站可见的卫星的主参考站有关的时钟校正包括：

获得用于在主参考站可见的每个卫星的主余量，主余量表示对应于在主参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量和卫星和主参考站间的理论范围间的差值；

基于主余量，计算主平均接收机时钟误差；以及

从主余量减去主平均接收机时钟误差。

16.如权利要求15所述的方法，其中，计算主平均接收机时钟误差包括在参考站可见的卫星上形成主余量的平均值。

17.如权利要求15所述的方法，其中，计算主平均接收机时钟误差包括形成由主参考站观测到的卫星的仰角加权的主余量的线性组合。

18.如权利要求15所述的方法，其中，计算与局部参考站有关的时钟校正包括：

获得用于在主参考站和局部参考站均可见的每个卫星的局部余量，局部余量表示对应于在局部参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量和卫星和局部参考站间的理论范围间的差值；

基于局部余量和主余量，计算局部平均接收机时钟误差；以及

从局部余量减去局部平均接收机时钟误差。

19.如权利要求18所述的方法，其中，参考站和参考站可见的卫星间的理论范围包括用于在用于该卫星的参考站获得的GPS测量上的对流层折射效应的调整。

20.如权利要求18所述的方法，其中，参考站和参考站可见的卫星间的理论范围包括用于在用于该卫星的参考站获得的GPS测量中的卫星轨道误差的调整。

21.如权利要求18所述的方法，其中，计算局部平均接收机时钟误差包括：

对局部参考站和主参考站共用的每个卫星，计算局部余量与主余量的偏移量；以及

在局部参考站和和主参考站共用的卫星上形成偏移量的线性组合。

22.如权利要求21所述的方法，其中，通过由局部参考站观测的卫星的仰角，加权线性组合中的偏移量。

23.一种基于通过GPS接收机从卫星获得的双频GPS伪距测量和载波相位测量，形成平滑折射校正码测量的方法，包括：

对在当前测量历元前和包括当前测量历元的一系列测量历元的每一个，基于来自卫星的双频伪距码测量形成折射校正码测量和基于来自卫星的双频载波相位测量形成折射校正载波相位测量；以及

利用折射校正载波相位测量平滑折射校正码测量以便在当前测量历元获得平滑折射校正码测量。

24.如权利要求23所述的方法，其中，平滑折射校正码测量包括：

计算折射校正码测量和折射校正载波相位测量间的平滑偏移量；以及

通过将当前测量历元的折射校正载波相位测量增加到平滑偏移量上，形成平滑折射校正码测量。

25.如权利要求23所述的方法，其中，平滑折射校正码测量包括：

使用两个连续测量历元间的载波相位测量的变化，形成平滑折射校正码测量的投影；

计算一系列测量历元上的投影和折射校正码测量间的差值的扩展平均值。

26.一种基于在GPS接收机处从卫星获得的双频GPS伪距测量和载波相位测量，形成平滑折射校正码测量的方法，包括：

在一系列测量历元的每一个以及对每个载波信号频率，形成双频载波相位测量的线性组合以便与相应的伪距码测量上的电离层折射效应匹配；

通过利用双频载波相位测量的匹配线性组合平滑伪距码测量，形成用于每个载波信号频率的平滑码测量；以及

组合平滑码测量以便形成平滑折射校正码测量。

27.一种计算机可读介质，包括当被执行时，使数字处理系统执行用于生成GPS卫星时钟校正的方法的计算机可执行程序指令，该方法包括：

从多个卫星获得双频伪距码测量和载波相位测量；

对多个卫星的每一个，基于来自卫星的双频伪距码测量和载波相位测量，形成平滑折射校正码测量；以及

基于平滑折射校正码测量，计算用于多个卫星的时钟校正。

28.一种计算机可读介质，包括当被执行时，使数字处理系统执行用于生成用于广域GPS网络中的多个卫星中的第一卫星的卫星时钟校正的方法，所述广域GPS网络具有包括主参考站和多个局部参考站的多个参考站，该方法包括：

获得对应于在多个参考站的一些或全部处采用的GPS测量的平滑折射校正码测量；

对在主参考站可见的卫星组的每一个，使用对应于在主参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量计算与主参考站有关的时钟校正；

对在其处第一卫星是可见的局部参考站组的每一个，使用对应于在局部参考站采用的GPS测量的平滑折射校正码测量和与用于在主参考站和局部参考站均可见的卫星的主参考站有关的时钟校正，计算与用于第一卫星的局部参考站有关的时钟校正；以及

形成用于第一卫星的时钟校正的线性组合，线性组合中的时钟校正与在其处第一卫星是可见的不同参考站有关。

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