CN1902505A - 组合使用本地rtk系统与区域性、广域或全球载波相位定位系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种组合使用本地RTK系统与区域性、广域或全球差分载波相位定位系统(WADGPS)的方法，其中避免了与RTK和WADGPS导航技术单独使用时相关联的缺点。该方法包括使用已是固定的用户接收机的已知位置或者在用户接收机移动时使用RTK系统初始化WADGPS系统中的浮点模糊度值。之后，通过包括对应的初始浮点模糊度值，调整在用户GPS接收机获得的折射校正的载波相位测量，并且在随后的在WADGPS系统中定位用户接收机的进程中，浮点模糊度值被视为众所周知(小方差)。

Description

组合使用本地RTK系统与区域性、广域或全球载波相位定位系统的 方法

本发明一般涉及与使用卫星的定位和导航相关联的技术，并且更具体地说，涉及在区域性、广域或全球载波相位定位和/或导航系统中求解(resolve)载波浮点模糊度。

                       发明背景

全球定位系统(GPS)使用太空中的卫星定位地球上的对象。通过GPS，信号从卫星到达GPS接收机，并用于确定GPS接收机的位置。目前，对应于具有锁定GPS卫星信号的每个相关器信道的两种类型的GPS测量，可提供用于民用GPS接收机。这两种类型的GPS测量是伪距和两个载波信号L1和L2的综合载波相位，这两个载波信号L1和L2分别具有频率1.5754GHz和1.2276GHz或波长0.1903米和0.2442米。伪距测量(或代码测量)是所有类型的GPS接收机可进行的基本的GPS可观察量。它利用调制到载波信号上的C/A或P代码。测量记录相关代码从卫星传播到接收机所费的视时，即，根据接收机时钟信号到达接收机的时间减去根据卫星时钟信号离开卫星的时间。载波相位测量是通过综合信号到达接收机时信号的重建载波而获得。因此，载波相位测量也是如根据卫星时钟信号离开卫星的时间和根据接收机时钟信号到达接收机的时间所确定的转接时间差的量度。然而，由于在接收机开始跟踪信号的载波相位时在卫星与接收机之间转接中的初始整周数通常未知，因此，转接时间差可能有多个载波周期的误差，即，在载波相位测量中有整周模糊度(whole-cycle ambiguity)。

在GPS测量可用时，在GPS接收机与多个卫星中每个卫星之间的距离可通过将信号的传播时间乘以光速而计算得出。这些距离通常称为伪距(假距离)，这是因为接收机时钟一般具有大的时间误差，这导致测量的距离有常见的偏差。作为普通导航计算的一部分求出由接收机时钟误差引起的这种常见的偏差和接收机的位置坐标。各种其他因素也可导致计算的距离中出现误差或噪声，包括星历表误差、卫星时钟计时误差、大气效应、接收机噪声和多径误差。通过独立的GPS导航，具有GPS接收机的用户获得相对于视野中的多个卫星的代码和/或载波相位距离，而不咨询任何参考站，用户在减少距离中出现的误差或噪声的方面极为受限。

要消除或减少这些误差，一般在GPS应用中使用差分操作。差分GPS(DGPS)操作一般涉及基准参考GPS接收机、用户(或导航)GPS接收机及在用户与参考接收机之间的通信链路。参考接收机放在已知位置，并且该已知位置用于生成与一些或所有上述误差因素相关联的校正。将校正提供到用户接收机，并且用户接收机然后使用校正适当地校正其计算得出的位置。校正的形式可以是对在参考站点确定的参考接收机位置的校正或者对特定GPS卫星时钟和/或轨道的校正。使用载波相位测量的差分操作经常称为实时动态(RTK)定位/导航操作。

差分GPS(DGPS)的基本概念是利用GPS测量中固有的误差的空间和时间相关，以消除在伪距和/或载波相位测量中由这些误差因素导致的噪声因素。然而，虽然作为在伪距或载波相位测量上的偏差出现的GPS卫星时钟计时误差在参考接收机与用户接收机之间优选是相关的，但大多数其他误差因素是不相关的，或者在广域应用中，即当在参考接收机与用户接收机之间的距离变大时，相关会消除。

为克服在广域应用中DGPS系统的不准确性，开发了各种区域性、广域或全球DGPS(以下称为广域DGPS或WADGPS)技术。WADGPS包括与计算中心通信的多个参考站的网络。误差校正在中心基于参考站的已知位置和由它们进行的测量而计算得出。计算的误差校正然后经诸如卫星、电话或无线电的通信链路传送到用户。通过使用多个参考站，WADGPS提供更准确的误差校正估计。

因此，已开发多种不同的技术以使用GPS载波相位测量获得高准确度的差分导航。具有最高准确度的技术是RTK技术，它具有约1厘米的典型准确度。然而，为获得该准确度，必须确定差分载波相位测量中的整周模糊度。当在用户接收机与参考接收机之间的距离(基线距离)短时，RTK技术非常有利，这是因为在这种情况下可准确和快速地求解整周模糊度。另一方面，当基线距离超过几十千米时，可能无法确定整周模糊度，并且普通的RTK准确度无法实现。RTK技术的另一个限制是它需要在参考接收机与导航接收机之间维持本地无线电链路。

采用载波相位差分方法的WADGPS技术也可实现很高的导航准确度。WADGPS差分技术的特征还在于可靠的长距离低频率通信链路或可靠的卫星通信链路。因此，校正一般可传递到导航接收机而无大的中断。然而，WADGPS技术通常将整周模糊度视为实值(非整数)变量，并且求出“浮点模糊度”，在获得经过大的卫星几何变化的时间间隔的测量数据前，该浮点模糊度的定义通常很差。因此，在WADGPS应用中，求出“浮点模糊度”经常需要长达一或二小时的时间间隔才可产生导航位置的少于10厘米的准确度。

                       发明概述

本发明包括一种用于组合使用RTK和WADGPS导航技术的方法，以便可通过另一技术的优点补充每个技术的弱点。WADGPS技术的主要不足之处在于导航接收机花费长的经过时间(经常超过一小时)确定将载波相位测量转换成准确的距离测量所需的浮点模糊度值。RTK技术的主要不足之处在于它需要在用户GPS接收机与参考GPS接收机之间的实时(通常为直线对传)数据链路，并且整周模糊度只可当在参考GPS接收机与用户GPS接收机之间的间距较短时确定。

通过使用根据本发明一个实施例的用于组合使用RTK和WADGPS导航技术的方法，可消除这些各自的不足之处。该方法包括使用用户接收机的已知位置在WADGPS系统中初始化浮点模糊度值。当用户接收机已固定时，用户接收机的已知位置可以是测量的位置或从先前操作获得的位置。当用户接收机在移动时，可使用RTK系统获得已知位置。

因此，在组合操作中，当用于RTK导航的通信链路可用时，可使用RTK系统获得用户接收机的位置、速度和时间(PVT)输出，而WADGPS系统在后台运行，并且其输出不断被初始化以与来自RTK系统的输出一致。当用于RTK导航的通信链路丢失时，或者当用户接收机偏离RTK系统中的参考站太远时，可使用WADGPS系统获得用户接收机的PVT输出，在RTK操作的同时该系统已被初始化。初始化避免了当用户GPS接收机的位置未知时求出浮点模糊度值所需的一般15分钟到二个小时的“捕捉(pull-in)”时间。这在RTK系统不可用或不准确时从WADGPS系统提供了很准确的PVT解，并且使WADGPS技术对实时高准确度定位和导航用途更实用。

                  附图简要说明

图1是根据本发明一个实施例的WADGPS系统和本地RTK系统的组合方框图。

图2是耦合到用户GPS接收机的计算机系统方框图。

图3A是流程图，示出用于组合使用WADGPS系统和本地RTK系统的方法。

图3B是流程图，示出用于使用本地RTK系统更新接收机位置的方法。

图4是流程图，示出使用WADGPS系统和本地RTK系统两者的组合操作的进程流。

图5是示出可使用组合操作的情况的图。

                  发明说明

图1示出根据本发明一个实施例的广域或全球差分GPS(WADGPS)系统100。如图1中所示，WADGPS系统100包括参考站120的网络和一个或更多个处理中心105，每个参考站具有GPS接收机122。参考站120不断将原始GPS可观察量提供到中心105进行处理。这些可观察量包括GPS代码和载波相位测量、星历表及在参考站120根据从多个卫星110接收的信号获得的其他信息。对于广域DGPS系统，参考站120位于跨诸如大陆的广域101的已知位置，或对于全球DGPS网络，参考站120位于跨全球的已知位置。中心105是处理GPS可观察量和计算DGPS校正的设施。如果提供了多个独立的中心，则优选是它们在地理上分开且平行操作。

WADGPS系统100可由一个或更多个用户(或用户装置或对象)140利用，每个用户具有用于定位和/或导航用途的用户GPS接收机142。在本发明的一个实施例中，用户140通过RTK无线电链路与附近的参考站120相关联，使得用户接收机142和附近的参考站120形成本地RTK系统150。系统100还包括常规数据链路(未示出)，用于为将GPS可观察量从参考站120发送到中心105并且为将计算得出的校正从中心105广播到参考站120和用户140提供可靠的传输机制。大陆WADGPS系统通常具有大约3到10个参考接收机，并且全球WADGPS系统通常具有大约20到100个参考接收机，这些参考接收机将数据馈送到中心105。在本发明的一个实施例中，将GPS可观察量从参考站120经因特网发送到中心105，并且也经因特网将计算得出的校正从中心发送到一个或更多个地面站(未示出)以上行传输到一个或更多个卫星(未示出)，然后，卫星广播计算得出的校正以由参考站120和用户接收机142接收。

在本发明的一个实施例中，用户或对象140还配有耦合到用户GPS接收机142的计算机系统144。如图2中所示，计算机系统144包括中央处理器(CPU)146、存储器148、一个或更多个输入端口154、一个或更多个输出端口156及(任选地)用户接口158，通过一个或更多个通信总线152彼此耦合。存储器148可包括高速随机存取存储器，并可包括非易失性海量储存器，如一个或更多个磁盘存储装置或闪存装置。

存储器148优选存储操作系统162、GPS应用过程164和数据库170。如下面更详细描述的一样，GPS应用过程164可包括用于执行用于组合使用本地RTK系统150和WADGPS系统160的方法300的过程166。存储在存储器148中的操作系统162和应用程序与过程164用于由计算机系统144的CPU 146执行。存储器148优选还存储在GPS应用过程164执行期间使用的数据结构，包括GPS伪距和载波相位测量168、从中心接收的GPS校正172及在本文档中论述的其他数据结构。

输入端口154用于从GPS接收机142接收数据、经无线电链路124从本地RTK系统120中的参考站120接收信息以及经卫星链路107从中心105接收GPS校正和其他信息。输出端口156用于经无线电链路124将数据输出到参考站120。在本发明的一个实施例中，计算机系统144的CPU 146和存储器148与GPS接收机142集成为如图2中所示的在单个外壳内的单个装置。然而，上述集成不是执行本发明的方法所必需的。

因此，用户或对象140可同时或在不同时间参与两种不同的操作模式。用户或对象140可在WADGPS模式操作，在该模式中，用户或对象140使用WADGPS系统100为自身定位或导航，和/或可在RTK模式操作，在该模式中，用户或对象140使用本地RTK系统150为自身定位或导航。当用户或对象140接近与其相关联的参考站120并且在用户或对象140与参考站120之间的无线电链路可维持时，用户可使用本地RTK系统150确定自身相对于参考站120的位置。本地RTK系统150比WADGPS系统100更有利，这表现在它更准确并且如下所述整周整数模糊度可迅速地求解。

使用本地RTK系统150，当相对于在参考GPS接收机122和相关联用户GPS接收机142的视野中的n个卫星110进行测量时，测量可用于根据以下阵列格式的方程式求出用户或对象140的位置：

          (_Φ+N)λ＝Hx+n_φ               (1)

其中，_Φ＝[_φ₁_φ₂..._φ_n]^T是由相对于n个卫星110中每个卫星的差分载波相位测量形成的载波相位测量向量；N＝[N₁N₂...N_n]^T是由与载波相位测量向量中每个差分载波相位测量相关联的差分整数模糊度形成的整数模糊度向量；H＝[h₁h₂...h_n]^T是由从用户或对象140到n个卫星110的单位向量形成的测量灵敏度矩阵；x是实未知状态向量(或实向量)，包括本地RTK系统150中从参考站120到用户或对象140的位置向量；以及 $n_{\mathrm{\φ}}={\left[\begin{array}{cccc}{n}_{{\mathrm{\φ}}_1}& n_{{\mathrm{\φ}}_2}& \·\·\·& n_{{\mathrm{\φ}}_n}\end{array}\right]}^T$ 是由相对于n个卫星110中每个卫星的差分载波相位噪声形成的测量噪声向量(或相位距离残差向量)。

要使用方程式(1)求出实向量x，需要求解整数模糊度向量N。已开发许多不同的方法来求解在整数模糊度向量N中包括的整数模糊度值，并且这些方法一般使用搜索进程来查找满足某些标准的整数模糊度值组合，如测量残差向量Δ_Φ的最小范数，

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\φ}}=(\▿\mathrm{\φ}+\tilde{N})\mathrm{\λ}-H\hat{x}---\left(2\right)$

其中，Δ_Ф是对应于包括整数模糊度值组合的候选整数模糊度向量 的相位距离残差向量，并且 是方程式(1)的最小二乘解，

      _＝[H^TH]^-1H^T(_Ф+N)λ                  (3)

或者

      _＝[H^TRH]^-1H^TR^-1(_Ф+N)λ              (4)其中

$R=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\σ}}_1^2& \·& \·& \·& 0\\ \·& \·& & & \·\\ \·& & \·& & \·\\ \·& & & \·& \·\\ 0& & & & {\mathrm{\σ}}_n^2\end{array}\right]---\left(5\right)$

是由σ_l形成的测量协方差矩阵，σ_l是使用常规方法计算得出的差分载波相位噪声n_φ1的标准偏差。在“GPS相位和代码观察的精度、互相关和时间相关”(“Precision，Cross Correlation，and Time Correlation ofGPS Phase and Code Observations”，by Peter Bona，GPS Solutions，Vol.4，No.2，Fall 2000，p.3-13)或“用于低成本惯性导航的紧密集成姿态确定方法：双天线GPS和GPS/磁力计”(“Tightly IntegratedAttitude Determination Methods for Low-Cost Inertial Navigation：Two-Antenna GPS and GPS/Magnetometer”，by Yang，Y.，Ph.D.Dissertation，Dept.of Electrical Engineering，University of California，Riverside，CA June 2001)中可找到用于计算σ_i的方法的例子，这两篇文章均通过引用结合于本文中。

在通过引用结合于本文的“瞬时模糊度求解”(“InstantaneousAmbiguity Resolution”，by Hatch，R.，in the Proceedings of the KISSymposium 1990，Banff，Canada)中和在也通过引用结合于本文的专利申请序号为10/338264的共同拥有的专利申请“用于实时动态观察和导航的快速模糊度求解”(“Fast Ambiguity Resolution for Real TimeKinematic Survey and Navigation”)中，可找到搜索方法的其他例子。

在整数模糊度求解后，用户接收机142的位置、速度和时间(PVT)可作为本地RTK系统150的解来准确地计算。

本地RTK系统150虽然有许多优势，但由于用户可能移到离参考站120太远的位置或者在参考站120的范围外，使得在用户或对象140与参考站之间的无线电链路124无法维持，因此，本地RTK系统150可能对用户或对象140总是不可用。在这些情况下，无法通过将在用户或对象140的测量与在参考站120的测量之间的差异考虑在内而满意地消除电离层引起的误差。此误差影响上述搜索整数模糊度向量的进程，这是因为它会导致在测量残差向量ΔΦ中包括的测量残差增大。

因此，在本地RTK系统150由于在用户GPS接收机与参考站之间的大间隔而不可用或失去其准确度的情况下，用户可能需要在WADGPS模式操作，在该模式使用不同的方案来求解整数模糊度。使用WADGPS系统100，每个整周模糊度被估计为实值(非整数)变量。此实践经常称为确定“浮点模糊度”值。一个用于确定“浮点模糊度”值的方法涉及基于在用户或对象140进行的原始GPS测量形成折射校正的代码和载波相位测量、将载波相位测量换算成与代码测量相同的单位以及从对应的代码测量减去每个换算的载波相位测量以获得偏移值。在本发明的一个实施例中，标明为PRC的折射校正的代码测量形成如下：

$P_{\mathrm{RC}}=\frac{f_1^2}{(f_1^2-f_2^2)}P1-\frac{f_2^2}{(f_1^2-f_2^2)}{P}_2\≅P_1-1.5457(P_1-P_2)---\left(6\right)$

其中，P₁和P₂是在特殊测量时期分别在L1和L2频率f₁和f₂上的原始伪距代码测量。标明为L_RC的折射校正的载波相位测量以类似的方式形成如下：

$L_{\mathrm{RC}}=\frac{f_1^2}{(f_1^2-f_2^2)}{L}_1\frac{f_2^2}{(f_1^2-f_2^2)}{L}_2\≅L_1-1.5457(L_1-L_2)---\left(7\right)$

其中，L₁和L₂是分别按L1和L2信号的波长换算的载波相位测量，并且每个包括已添加的近似整周模糊度值，以使换算后的载波相位测量接近与对应的代码测量相同的值。因此，

                L₁＝(_₁+N₁)λ₁，          (8)

                L₂＝(_₂+N₂)λ₂，          (9)

其中，_₁和_₂是在同一测量时期分别在L1和L2频率上的原始载波相位测量，并且N₁和N₂的整周值已在载波相位跟踪开始时由用户或对象140初始化，以提供在对应代码测量的一个载波波长内的值，以使在换算后的载波相位测量和对应的代码测量之间保持小的差异。从方程式(7)的形式可注意到折射校正的载波相位测量包括具有由f₁与f₂之和(大约为2.803GHz)确定的波长λ的整周模糊度，因此，λ大约为0.1070米(即，c/(f₁+f₂)。

由于根据方程式(6)-(9)，已从代码和载波相位测量两者中消除电离层效应，并且有关伪距和载波相位测量的卫星时钟和轨道误差的效应是相同的，因此，在步骤310中获得的P_RC和L_RC的值应几乎相同，除与载波相位测量L_RC相关联的可能的整周模糊度和在代码测量P_RC中更高的多径噪声以外。这通过平滑一系列测量时期在折射校正的代码测量与折射校正的载波相位测量之间的偏移(O＝P_RC-L_MC)，使偏移变为“浮点模糊度”的更加准确的估计，从而允许在L_RC中整周模糊度的求解。通过使用后置(post-fix)测量残差，还可进一步调整平滑的偏移值，以提供附加的载波相位测量调整，使得调整后的测量残差接近零。

在本发明的一个实施例中，通过取如下偏移的扩展平均值而平滑偏移：

$Q_i=Q_{i-1}+(P_{\mathrm{RC}}^i-L_{\mathrm{RC}}^i-O_{i-1})/\mathrm{\η},$

其中，i＝1，2，3，...，用于标明测量时期，并且η的值是置信值，在O_i变为浮点模糊度值的更准确估计时增大。在本发明的一个实施例中，η等于i，直至达到最大平均值。例如，如果载波相位测量假设为只具有代码测量噪声的1/100，则“η”的值会限于小于100的平方或10000。方程式(9)因此可以递归计算，直至达到浮点模糊度值的预定准确度。

借助于平滑的偏移O_i，通过将当前测量时期的折射校正的载波相位测量加上平滑的偏移，可获得平滑的折射校正的代码测量S，使得

                   S_i＝O_i+L_i                      (11)

这具有载波相位测量的准确度，却没有相关联的模糊度。

对在用户GPS接收机142的视野中的多个卫星中的每个卫星执行如结合方程式(6)-(11)描述的以上进程。借助于可用于在用户GPS接收机142的视野中的多个卫星中的每个卫星的平滑的折射校正的代码测量，可获得到这些卫星的伪距。这些伪距通过从中心105接收的WADGPS校正进行调整，并且在加权最小二乘定位中用于计算状态向量x。这样，用户GPS接收机142的位置、速度和时间(PVT)可作为用户GPS接收机142的PVT的WADGPS解来计算。

在通过引用结合于本文的“代码和载波测量的协同作用”(“TheSynergism of Code and Carrier Measurements”，by Hatch，R.in theProceedings of the Third International Geodetic Symposium on SatelliteDoppler Positioning，DMA，NOS，Las Cruces，N.M.，New Mexico StateUniversity，Vol.II，pp.1213-1232)中和在也通过引用结合于本文、代理人案号为009792-0042-999的共同拥有的专利申请“用于生成广域或全球差分GPS系统的时钟校正的方法”(Method for GeneratingClock Corrections for a Wide-Area or Global Differential GPS System)中，可找到获得平滑的、折射校正的偏移的方法的其他例子。

还可能的是，将“浮点模糊度”值作为在最小二乘或Kalman滤波解中单独的状态来求出。当模糊度被作为状态包括时，每个浮点模糊度值的估计值根据方差进行调整，以使它在系统几何由于卫星运动而更改时变得更加准确。因此，此技术还随时间进展而产生更加准确的估计。参阅Patrick H.C.Hwang的题为“用于差分定位的动态GPS：求解变化的整数模糊度”(“Kinematic GPS for DifferentialPositioning：Resolving Integer Ambiguities on the Fly”in Navigation Vol.38，No.1，Spring 1991)论文，该论文通过引用结合于本文。

上述技术有许多种组合和变化可用于估计“浮点模糊度”值。然而，它们全部涉及在很大的时间间隔内处理数据。在可以确信“浮点模糊度”足够准确、可在用户140的导航位置中产生小于10厘米准确度前，此时间间隔经常可长达一或二小时。要缩短用于获得“浮点模糊度”值的时间间隔，可使用用户GPS接收机142的已知位置按如下所述初始化WADGPS系统。

图3A示出用于初始化WADGPS系统100的方法300。如图3所示，方法300包括步骤310，在该步骤中确定用户是否固定在已知位置。这可根据用户输入或经允许计算机114确定用户接收机142是否已固定的某一常规机制而实现。如果用户接收机142已固定并且用户接收机142的位置已准确获悉，则该位置可用于计算浮点模糊度值而无需本地RTK系统150的帮助。用户GPS接收机142的测量位置可用作已知位置，或者在一些环境中，可能只是由于用户接收机142已是固定的并且用户位置在先前操作期间已经确定，因而位置已知。

响应于用户固定在已知位置的确定，方法300继续到步骤320，在该步骤中将用户接收机位置设为已知位置。否则，方法300继续到步骤330，在该步骤中启用本地RTK系统150以使用上述方法来自动更新用户位置。

方法300还包括步骤340，在该步骤中，用户接收机位置无论是在步骤320或步骤330中确定，均用于计算到卫星110的一组理论距离。这可涉及到基于来自WADGPS系统100的广播星历表计算卫星110的位置和根据由WADGPS系统100广播的轨道校正调整那些位置。假设在笛卡尔坐标中的用户接收机位置和卫星位置，从用户140到每个卫星110的理论距离可计算如下：

$r=\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_{\mathrm{if}})}^2}---\left(12\right)$

其中，下标s标明卫星坐标，并且下标u标明用户或对象接收机坐标。

方法300还包括步骤350，在该步骤中，通过从计算的理论距离减去相对于同一卫星从折射校正的载波相位测量获得的距离而计算得出对应于每个卫星的初始浮点模糊度值a，因此，

$a=r-L_{\mathrm{RC}}^0---\left(13\right)$

其中，L_RC ⁰表示在开始测量时期根据方程式(7)计算的折射校正的载波相位测量。

方法300还包括步骤360，在该步骤中，通过将初始浮点模糊度值加上在随后测量时期的对应的折射校正的载波相位测量，即

$L_{\mathrm{RC}}^i=L_{\mathrm{RC}}^i+a,$

并且通过将浮点模糊度值视为众所周知，使得置信度设为高(或方差设为低)，从而求解浮点模糊度值。实际上，通过在用于确定浮点模糊度值的进程中使用小的增益值调整浮点模糊度值，完成步骤360。例如，如果通过根据方程式(9)平滑在折射校正的代码测量与折射校正的载波相位测量之间的偏移来确定浮点模糊度值，则小的增益意味着如同在计算浮点模糊度值时已使用大量偏移值处理浮点模糊度值，因此，η＝i+(大的数字)。如果模糊度值在Kalman滤波进程中确定，则通过将模糊度状态的方差设为小的值而实现小的增益。

因此，通过使用固定用户接收机142的已知位置，或者通过使用本地RTK系统150来初始化浮点模糊度值，避免了在用户接收机位置未知时求出浮点模糊度值所需的一般十五分钟到二小时的“捕捉”时间。这可大大加快WADGPS系统100中用于求解载波相位模糊度的进程，使WADGPS系统100更适用于实时定位和/或导航用途。

要在方法300中使用本地RTK系统150来更新用户接收机位置，则本地RTK系统150中的参考站120的位置必须在WADGPS系统100中准确确定。可以在相对意义上使用常规RTK系统，这表示用户接收机142的位置可相对于参考接收机确定。这样，即使参考站的坐标不是特别准确，并且除普通GPS数据外的坐标数据用于定位参考站，也可获得用户GPS接收机142的准确相对位置。然而，对于本地RTK系统150和WADGPS系统100的组合使用，需要确定RTK系统150中的参考接收机120的准确位置。如果将不正确的位置用于本地RTK系统150中的参考站120，则它将导致如上所述计算的浮点模糊度值不正确。当在随后的WADGPS处理期间浮点模糊度值缓慢调整到正确值时，这将导致计算的用户接收机142的位置缓慢漂移。

在本发明的一个实施例中，为获得更大的可靠性，RTK系统150中的参考站120的平均位置是基于来自WADGPS系统100的数小时的定位数据来确定的。在一个替代实施例中，在参考站120的计算机系统接受其位置的操作员输入值，并将该位置提供到用户140。这允许使用参考站的该位置立即开始相对RTK定位。同时，参考站120的更准确位置由WADGSP系统100确定，并传送到参考站120。此更准确的位置或在操作员输入位置与由WADGPS系统100确定的参考站120的更准确位置之间的偏移然后以较低的速率传送到用户140。

图3B更详细地示出方法300中的步骤330，在该步骤中，使用本地RTK系统150来更新用户位置。如图3B中所示，步骤330包括子步骤331和子步骤333；在子步骤331中，用户或对象140接收RTK系统150中的参考站120的操作员输入位置；在子步骤333中，用户或对象140执行本地RTK操作以确定相对于参考站120位置的其自己的位置。步骤330还包括子步骤335，在该步骤中，用户或对象140接收由WADGPS系统100确定的参考站120的更准确位置或在参考站120的操作员输入位置与由WADGPS系统100确定的参考站120的更准确位置之间的偏移。步骤330还包括子步骤337，在该步骤中，用户或对象140使用参考站的用户输入位置或由WADGPS系统100确定的参考站120的位置(如果可用)，计算用户GPS接收机142在笛卡尔坐标中的绝对位置。

通过使用方法300可获益的一个例子是定位火车。当火车通过隧道时，本地RTK链路和全球WADGPS链路均会丢失。这种情况下，在火车穿出隧道时，可建立RTK数据链路以初始化WADGPS浮点模糊度值。这会避免另外确定正确的浮点模糊度值所需的长数据间隔。

通过使用方法300可获益的另一例子是定位起飞后的飞机。这种情况下，在飞机准备起飞的机场的本地RTK系统可用于在起飞之前或期间初始化WADGPS模糊度。

因此，包括用户GPS接收机142和耦合到用户GPS接收机142的计算机系统144的用户或对象140可在RTK模式和WADGPS模式两者中操作。由于如上所述用于本地RTK系统150的搜索进程比WADGPS系统100中用于求解整数模糊度值的平滑方法花费的时间少得多，因此，本地RTK系统150比WADGPS系统更有利。在搜索进程中，不需要代码测量的平滑或者执行持续时间短得多的代码测量的平滑，不是直接确定整周模糊度，而是在整数模糊度值的初始集合中提供降低的不确定性，使得随后的搜索进程可受到更紧密的约束。为此，只要几秒的数据便足以获得模糊度值的初始集合。然而，只在本地RTK系统150中用户GPS接收机142与参考站120之间的通信链路可维持并且用户或对象140未偏离本地RTK系统150中的参考站120太远的情况下，本地RTK系统150才可用。当这些条件未满足时，即，当本地RTK系统150不可用或不准确时，通过使用由RTK系统150最后确定的用户接收机位置来初始化WADGPS系统，用户可求助于WADGPS系统100进行导航，从而避免获得“浮点模糊度”值的长“捕捉”时间。

图4示出由用户计算机系统144执行的组合RTK和WADGPS操作的进程流400。该进程流包括步骤440、450和460。如图4中所示，在RTK校正可用时，用户140在RTK模式操作。它接收本地RTK系统150中的参考站120的位置401并执行步骤440，在该步骤中，用户接收机的PVT使用从本地RTK系统150中的参考接收机120接收的RTK校正410确定。在执行步骤440期间，用户140可继续从中心105接收WADGPS校正420，以便WADGPS解可在后台生成。用户140还可从中心105以较低的速率接收本地RTK系统150中的参考站120的更新位置430。通过使用参考站120的更新位置和用户接收机位置的RTK解，可根据上述的方法300在后台持续初始化WADGPS解以与RTK解一致。

当RTK校正丢失时，用户140切换到WADGPS操作模式并执行步骤450，在该步骤中，用户140在RTK校正变得不可用之前立即使用在RTK操作模式中确定的用户接收机位置，以根据上述方法300初始化用于WADGPS操作模式的浮点模糊度值。这样，可确定“浮点模糊度”值而无长“捕捉”时间。在执行步骤450期间，用户140继续从中心105接收WADGPS校正420。用户140还可从中心105以较低的速率接收本地RTK系统150中的参考站120的更新位置430。参考站坐标用于将WADGPS模式中生成的用户接收机位置变换成相对于本地参考接收机120的位置。这样，由用户计算机系统144生成的PVT结果将在这两种不同的操作模式之间无缝过渡。

当RTK校正再次可用时，用户在步骤460恢复RTK操作，这类似于步骤440中的RTK操作。

进程400可在许多应用中使用。一个应用涉及将RTK操作扩展到RTK无线电链路无法维持而WADGPS通信链路至少通常可用的区域中。例如，如图5中所示，用户或对象140可以是在起伏的坡面区域501中按行520移动的农用车辆510，而用户接收机142接到农用车辆或接到连接到农用车辆的农用设备。区域501包括从本地RTK系统150中的参考站120可见的区域503和从参考站120看不见的(阴影)区域505和507。由于RTK通信链路通常是直线对传，因此，只要将用户GPS接收机142从区域503移到区域505或507，RTK数据便会丢失。但由于经常得到卫星的帮助，因此，在用户接收机142与WADGPS系统100之间的数据链路通常是可用的。通过只要RTK无线电链路可用并且RTK系统150在操作便在WADGPS系统100中初始化浮点模糊度，实际上可在RTK链路丢失的那些间隔期间保持RTK操作的准确度。

虽然图1中的WADGPS/RTK系统100已在上述说明中使用，但将理解，利用来自卫星的载波相位测量实现定位和/或导航用途并因此需要确定与相位测量相关联的模糊度值的任何区域性、广域或全球系统也可得益于上述方法300和进程400。这些系统的例子包括由John Deere公司开发的Starfire^TM System和由几家美国政府机构在开发的区域性高准确度国家差分(High Accuracy-NationalDifferential)(HA-ND)GPS系统。

Claims (20)

1.一种用于基于从多个卫星之一接收的信号确定对应于由卫星定位系统的用户获得的载波相位测量的浮点模糊度值的方法，所述方法包括：

确定所述用户的位置；

基于所述用户的位置计算从所述用户到所述卫星的理论距离；

基于所述理论距离和所述载波相位测量计算初始模糊度值；以及

使用所述初始模糊度值确定所述浮点模糊度值。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述用户是固定的并且确定所述用户的位置包括获得与所述用户的先前操作相关联的浮点模糊度值。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述用户的位置通过使用包括所述用户、参考站和在所述用户与所述参考站之间的无线电链路的实时动态系统确定。

4.如权利要求3所述的方法，其中确定所述用户的位置包括：

求解与在所述用户与所述参考站之间的差分载波相位测量集合相关联的整数模糊度；以及

使用所求解的整数模糊度计算所述用户的位置。

5.如权利要求3所述的方法，其中确定所述用户的位置包括：

确定所述用户相对于所述参考站的位置；

接收有关所述参考站位置的信息；以及

基于所述用户相对于所述参考站的位置和所述有关所述参考站位置的信息，确定所述用户的绝对位置。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述载波相位测量是折射校正的。

7.如权利要求1所述的方法，其中确定所述浮点模糊度值包括：

使用所述初始模糊度值在一系列测量时期的每个时期调整载波相位测量；以及

使用所调整的载波相位测量计算所述浮点模糊度值。

8.如权利要求7所述的方法，其中通过在所述一系列测量时期的每个时期对在所调整的载波相位测量与对应的代码测量之间的偏移取扩展平均值，计算所述浮点模糊度值。

9.如权利要求8所述的方法，其中通过如同在计算所述浮点模糊度值时使用大量偏移值处理所述浮点模糊度值，计算所述浮点模糊度值。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述载波相位测量和所述代码测量是折射校正的。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述浮点模糊度值在Kalman滤波进程中确定为模糊度状态，并且其中通过将所述模糊度状态的方差设为小的值而计算所述浮点模糊度值。

12.一种用于定位或导航与本地参考接收机和广域卫星定位系统两者相关联的对象的方法，包括：

基于从所述本地参考接收机接收的信息确定所述对象的第一位置；

使用所述对象的第一位置确定与在所述对象获得的载波相位测量相关联的浮点模糊度值；以及

基于从所述广域卫星定位系统接收的信息和所述浮点模糊度值，确定所述对象的第二位置。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一位置是相对于本地参考站，并且所述第二位置是绝对位置，所述方法还包括：

从所述广域卫星定位系统接收所述本地参考站的位置；

在确定所述浮点模糊度值前使用所述本地参考接收机的位置，将所述第一位置变换为绝对位置；以及

使用所述本地参考站的位置，将所述第二位置变换为相对于所述本地参考接收机的位置。

14.如权利要求12所述的方法，其中确定所述浮点模糊度值包括使用所述第一位置计算初始浮点模糊度值。

15.如权利要求14所述的方法，其中计算初始浮点模糊度值包括计算在所述对象与多个卫星之间的理论距离。

16.如权利要求14所述的方法，其中确定所述浮点模糊度值包括通过所述初始浮点模糊度值调整所述载波相位测量。

17.如权利要求15所述的方法，其中确定所述浮点模糊度值包括通过所调整的载波相位测量平滑代码测量。

18.一种其中存储有计算机可读程序指令的计算机可读媒体，在由处理器执行所述指令时，所述指令使进程执行一种用于基于从多个卫星之一接收的信号确定对应于由卫星定位系统的用户获得的载波相位测量的浮点模糊度值的方法，所述程序指令包括：

用于确定所述用户位置的指令；

用于基于所述用户位置计算从所述用户到所述卫星的理论距离的指令；

用于基于所述理论距离和所述载波相位测量计算初始模糊度值的指令；以及

用于使用所述初始模糊度值确定所述浮点模糊度值的指令。

19.如权利要求18所述的计算机可读媒体，其中所述用户位置通过使用包括所述用户、参考站和在所述用户与所述参考站之间的无线电链路的实时动态系统确定。

20.如权利要求18所述的计算机可读媒体，其中所述用于确定所述浮点模糊度值的指令包括：

用于通过所述初始模糊度值在一系列测量时期的每个时期调整载波相位测量的指令；以及

用于使用小的增益值调整所述浮点模糊度值直至达到所述浮点模糊度值的预定准确度的指令。

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