CN1989419A - 基于在基准接收机处计算的校正的用于rtk导航的移动基准接收机 - Google Patents

Abstract

提供了一种确定在关联于基准站的主接收机与关联于用户的辅接收机之间的相对位置向量的方法和系统。该方法和系统在基准站处根据在基准站处从多个卫星接收的信号来确定基准站的位置，在用户处基于在用户处获得的测量和在基准站处计算的误差校正来确定用户接收机的位置，以及通过对基准站的位置与用户的位置进行差分来计算相对位置向量。

Description

基于在基准接收机处计算的校正的用于RTK导航的移动基准接收机

技术领域

本发明一般而言涉及卫星定位技术，更特别地涉及一种利用固定或移动的基准接收机来实时动态定位的方法。

背景技术

全球定位系统(GPS)使用空间中的卫星来定位地面上的对象。利用GPS，来自卫星的信号到达GPS接收机，并被用来确定GPS接收机的位置。当前，与具有锁定的GPS卫星信号的每个相关器信道对应的两类GPS测量可用于民用GPS接收机。这两类GPS测量是伪距和两个载波信号L1和L2(分别具有1.5754GHz和1.2276GHz的频率或者0.1903m和0.2442m的波长)的载波相位。伪距测量(或者码测量)是所有类型的GPS接收机可进行的基本GPS观测。它利用了调制到载波信号上的C/A或P码。该测量记录了相关码从卫星传播到接收机所花费的视时，即信号根据接收机时钟到达接收机的时间减去信号根据卫星时钟离开卫星的时间。当信号到达接收机时，通过对信号的重建载波进行积分来获得载波相位测量。因而，载波相位测量还是如由信号根据卫星时钟离开卫星的时间和信号根据接收机时钟到达接收机的时间所确定的传送时间差的量度。然而，因为当接收机开始跟踪信号的载波相位时卫星与接收机之间传送中的整周的初始数量通常是未知的，所以传送时间差也许错了多个载波周期，即在载波相位测量中存在整周模糊度。

利用可用的GPS测量，通过用光速乘信号的传播时间来计算GPS接收机与众多卫星中每个之间的范围或距离。这些距离通常被称为伪距(假距离)，因为接收机时钟通常具有在测量的距离中引起公共偏差的明显时间误差。作为正常导航计算的一部分，与接收机的位置坐标一起来求解来自接收机时钟误差的该公共偏差。各种其它因素也可以导致所计算距离的误差或噪声，包括星历误差、卫星时钟定时误差、大气影响、接收机噪声和多径误差。对于独立的GPS导航，其中具有GPS接收机的用户获得相对于可见的多个卫星的代码和/或载波相位范围，而不需与任何基准站协商，用户在降低距离中的误差或噪声的方法中非常受限。

为了消除或降低这些误差，通常在GPS应用中使用差分运算。差分GPS(DGPS)运算通常包括基本基准GPS接收机、用户(或导航)GPS接收机、以及用户与基准接收机之间的数据链路。基准接收机位于已知的位置，并且在此获得的测量被提供给用户接收机。通过对在基准站和用户接收机处获得的测量进行差分(difference)，可以消除或者大大降低在所计算距离中大部分的误差或噪声。使用载波相位测量的差分运算通常被称为实时动态(RTK)定位/导航运算。

差分GPS(DGPS)的基本概念是利用GPS测量中固有的空间和时间相关，以消除由这些错误因素产生的伪距和/或载波相位测量中的噪声因素。当基准与用户接收机之间的距离在某个极限之内时，载波相位差分或RTK技术是可用于定位和导航目的的最精确技术。然而，当基准与用户接收机之间的距离变得太大时，RTK技术的精度随着误差因素的相关的减小而减小。

对于广域操作，已经开发了各种区域、广域或全球的DGPS(此后称作广域DGPS或WADGPS)技术。WADGPS系统包括与计算中心或网络中心(hub)通信的多个基准站的网络。在网络中心基于基准站的已知位置和由基准站获得的测量来计算误差校正。然后经由数据链路比如卫星、电话或无线电把所计算的误差校正发送给用户。尽管WADGPS系统的精度通过使用多个基准站来增强，但是它还不能匹配本地RTK系统的精度，所述本地RTK系统能够达到大约一厘米的精度，只要基准与用户接收机之间的分开距离足够短。

发明内容

根据本发明的一个实施例的方法和系统通过下述来确定在关联于基准站的主接收机与关联于用户的辅接收机之间的相对位置向量：

(1)根据在基准站处从多个卫星接收的信号来确定基准站的位置；

(2)基于在用户接收机处获得的测量和在基准站处计算的误差校正来确定用户接收机的位置；以及(3)通过对基准站的位置和用户的位置进行差分来计算相对位置向量。用户和基准接收机中的每个可以是移动的或固定的。可以在基准站、用户或分离的数据处理系统处计算相对位置向量，该数据处理系统从基准站接收基准站的位置以及从用户接收用户的位置。在下面的讨论中，基准站的位置有时被称作“基准位置”。同样，用户的位置有时被称作“用户位置”。

在本发明的一个实施例中，利用在基准站或用户处分别获得的载波相位测量的连续变化以高速率来更新基准站或用户的位置。在基准站或用户处还运行并行低速率过程，以把周期性位置校正提供给以高速率产生的相应位置更新。相对位置向量可以以高速率或低速率或某一其它速率进行计算，这取决于计算所需的用户和基准位置的可用性。

在基准站处通过下述来计算对测量的误差校正：形成载波平滑码测量，利用载波平滑码测量来计算对基准站的估计位置的校正，计算从基准站到多个卫星中每个的理论距离，以及基于该理论距离来计算误差校正。该误差校正经由在用户与基准站之间的数据链路从基准站被发送给用户。

通过在基准站处计算误差校正和基准位置，本发明使在基站接收机与用户接收机之间必需的信息传送最小化。它还允许在基准接收机与用户接收机之间通信负载的最小增加的同时高速率的位置输出。此外，本发明以自然的方式在基准接收机与用户接收机之间分配必需的计算，使得在基准或用户接收机处没有过度的计算负荷。而且，本发明通过不需要用户使用来自基准接收机的同步数据来最小化在输出用户位置更新时的等待时间。

附图说明

图1是说明根据本发明的一个实施例的卫星导航系统的图。

图2是根据本发明的一个实施例的与卫星导航系统的用户相关联的导航子系统的框图。

图3是根据本发明的一个实施例的与导航系统中的移动基准站相关联的导航子系统的框图。

图4A是说明根据本发明的一个实施例的由用户子系统和基准子系统执行的导航过程的流程图。

图4B是说明用于计算相对位置向量的更新的一系列过程的流程图。

图5是说明由用户子系统或基准子系统使用的两个并行系列的信号出现时间(epoch)的图。

图6A是说明根据本发明的一个实施例的分别由用户子系统和基准子系统执行的初始化过程的流程图。

图6B是说明根据本发明的一个实施例的分别由用户子系统和基准子系统执行的位置校正过程的流程图。

图7是说明根据本发明的一个实施例的由用户子系统执行的位置传播过程的流程图。

具体实施方式

为了在保持相同精度的同时克服常规RTK系统的缺陷，开发了移动基准站的概念。然而，利用移动基准站的常规技术全都包含在用户接收机与移动基准站之间形成载波相位测量的差并直接求解用户接收机与移动基准站之间的分离向量。此外，在文献中描述的是用于多个车辆的相对导航的技术。然而，这些技术通常利用了公共固定基准站点。

图1说明了卫星导航系统100，在其中可以实施根据本发明的一个实施例的导航过程。如图1所示，系统100包括与移动或固定的对象110A关联的用户子系统110以及与移或固定的对象120A关联的基准子系统120。用户子系统110和基准子系统120经由数据链路彼此可通信地耦合，这允许使用诸如射频信号之类的机制在两个子系统110与120之间传送数据。基准子系统120还可以经由数据链路123被链接到本地固定基准站130。本地固定基准站130可以是全球或广域卫星导航网络中的固定基准站130的网络之一。在此情况下，固定基准站130的网络位于广域105或全球的已知位置上，并且向广域或全球卫星导航网络的一个或多个网络中心140连续提供GPS观测以用于处理。这些观测包括GPS码和载波相位测量、星历、以及根据在固定基准站130处从多个卫星101接收的信号而获得的其它信息。网络中心140是处理GPS观测和计算校正的设施。如果设置了多个独立网络中心，则优选的是这些网络中心在地理上分离且并行操作。基准子系统120可以经由通信信道124比如卫星广播、无线因特网连接等，从处理网络中心140附加地或可选地接收计算结果比如GPS校正。需要时，利用对象120A定位基准子系统120，以维护与用户GPS子系统110的数据链路112以及与附近固定基准站130或网络中心140的数据链路123。

图2说明了根据本发明的一个实施例的用户子系统110。子系统110包括用户GPS接收机210和耦合到用户接收机210的基于微处理器的计算机系统220。用户接收机210被附着到对象110A上，并向系统220提供原始GPS观测以用于处理。这些观测包括GPS码和载波相位测量，并且还可以包括星历、以及根据从多个卫星101接收的信号而获得的其它信息。计算机系统220包括通过一条或多条通信总线250互连的中央处理单元(CPU)230、存储装置240、输入端口251和252、一个或多个输出端口253、以及可选用户接口257。输入端口251和252分别用来从用户接收机210和基准子系统120接收数据。输出端口253可以用来向移动基准站120和/或其它数据处理系统(未示出)输出计算结果。计算结果还可以被显示在用户接口257的显示装置上。

存储器240可以包括高速随机存取存储器，并且可以包括非易失性大容量存储器，比如一个或多个磁盘存储装置。存储器240还可以包括远离中央处理单元230的大容量存储器。存储器240优选地存储操作系统262和GPS应用程序或过程264，包括使用根据本发明的一个实施例的载波相位测量的连续变化来实施用于导航的方法的过程266。在存储器240中存储的操作系统262和应用程序及过程264供计算机系统220的CPU230执行。存储器240优选地还存储数据库270，该数据库270包括在GPS应用过程266的执行期间使用的数据结构，比如GPS测量272和校正274，以及在本文件中讨论的其它数据结构。操作系统262可以是但不限于嵌入式操作系统、UNIX、Solaris或Windows95、98、NT4.0、2000或XP。更一般地，操作系统262具有用于通信、处理、访问、存储和搜索数据的过程和指令。

由于下述原因，存储器240还可以存储实时执行程序(RTX)268，该实时执行程序(RTX)268是用于实时多任务操作的计算机程序。在本发明的一个实施例中，RTX268允许把操作系统嵌入到过程266中以提供多个线程，所以在过程266中的不同任务可以“准并行”运行，这意味着不同任务可以似乎同时运行，并且系统220可以看来在同时做不同作业。这将允许过程266包括在不同线程中运行的两个或更多个并行任务或过程。RTX268控制每个线程的开始和停止，并允许线程彼此交互。RTX268还允许对到线程的数据进行排队，在线程之间发送数据，以及通过按照顺序保持事件来串行化过程。

此外，RTX268支持标准多线程控制，比如允许执行线程以等待由另一线程的事件触发的事件。事件是可以在线程上设置或清除的状态。当线程被设置为等待一个或多个事件时，该线程被挂起，直至所有事件被设置。这大大简化了线程之间的同步和通信。对于RTX268，线程执行基于优先级。具有较高优先级的线程在具有较低优先级的线程之前运行。在具有相同优先级的线程中，以循环的方式执行线程。每个线程被给予运行的时间片。现有的商业RTX可以被用作RTX268。这样的商业可用实时执行程序的实例包括来自CMX Systems，Inc.的CMX-RTX、来自Australian Real Time Embedded Systems(ARTESYS)的并行实时执行程序(CORTEX)和来自Accelerated Technology Inc.的Nucleus RTX。

在一些实施例中，用户接收机210和计算机系统220的部分或全部被集成为位于单个壳体内的单个装置，比如便携、手持或甚至可佩戴的位置跟踪装置，或者车载或其它移动定位和/或导航系统。在其它实施例中，GPS接收机210和计算机系统220没有被集成为单个装置。

图3说明了根据本发明的一个实施例的基准子系统120。子系统120包括基准GPS接收机310和耦合到基准接收机310的基于微处理器的计算机系统320。基准接收机310被附着到对象120A上，并向系统320提供原始GPS观测以用于处理。这些观测包括GPS码和载波相位测量，并且还可以包括星历、以及根据从多个卫星101接收的信号而获得的其它信息。计算机系统320包括通过一条或多条通信总线350互连的中央处理单元(CPU)330、存储装置340、输入端口351、352和353、一个或多个输出端口354以及可选用户接口357。输入端口351、352和353用于分别从基准接收机310、用户子系统110和固定基准站130或网络中心140接收数据。输出端口354可以用来向用户子系统110和/或其它数据处理系统(未示出)输出计算结果。计算结果还可以被显示在用户接口357的显示装置上。

存储器340可以包括高速随机存取存储器，并且可以包括非易失性大容量存储器，比如一个或多个磁盘存储装置。存储器340还可以包括远离中央处理单元330的大容量存储器。存储器340优选地存储操作系统362和GPS应用程序或过程364，包括使用根据本发明的一个实施例的载波相位测量的连续变化来实施用于导航的方法的过程366。在存储器340中存储的操作系统362和应用程序及过程364供计算机系统320的CPU330执行。存储器340优选地还存储数据库370，包括在GPS应用过程366的执行期间使用的数据结构，比如GPS测量372和校正374，以及在本文件中讨论的其它数据结构。操作系统362类似于操作系统262。由于下述原因，存储器340还可以存储类似于RTX268的实时执行程序(RTX)368。

在一些实施例中，基准接收机310和计算机系统320的部分和全部被集成为位于单个壳体内的单个装置，比如便携、手持或甚至可佩戴的位置跟踪装置，或者车载或其它移动定位和/或导航系统。在其它实施例中，GPS接收机310和计算机系统220没有被集成为单个装置。

图4A说明了根据本发明一个实施例的如在过程266中实施的由用户子系统110执行的导航过程410以及如在过程366中实施的由基准子系统120执行的导航过程420。如图4A所示，导航过程410包括初始化过程401以及两个并行过程：高速率过程412和低速率过程414。初始化过程401用来计算附着到对象110A上的用户接收机210的初始位置和由高速率过程412所需的其它初始参数。高速率过程412包括一系列位置传播过程413，每个位置传播过程413在一系列次信号出现时间之一中计算对用户位置的更新。低速率过程414包括一系列位置校正过程415，每个位置校正过程415在一系列主信号出现时间之一中计算对用户位置的校正。如图5所示，在每个主信号出现时间T_m内可以有多个比如10个次信号出现时间t_mn(m＝0，1，2，3，...以及n＝0，1，2，3，...)。如果不需要所计算位置的高速率产品，则次信号出现时间还可以与主信号出现时间重合。

同样，还如图4A所示，导航过程420包括初始化过程402以及两个并行过程：高速率过程422和低速率过程424。初始化过程402用来计算基准接收机310的初始位置和由高速率过程422所需的其它初始参数。初始化过程402还可以计算将由用户子系统110中的处理使用的测量校正。高速率过程422包括一系列位置传播过程423，每个位置传播过程423在一系列次信号出现时间之一中计算对基准位置的更新。低速率过程414包括一系列位置校正过程425，每个位置校正过程425在一系列主信号出现时间和测量校正之一中计算对基准位置的校正。

在位置传播过程413的一些或全部中所计算的用户位置的更新和在位置传播过程423的一些或全部中所计算的基准位置的更新，被用来通过使用如图4B所示的一系列相对位置计算过程433来计算从附着到对象120A的基准接收机310到附着到对象110A的用户接收机210的相对位置向量的更新。可以在基准接收机或用户接收机或二者处执行相对位置计算过程433，或者可以在分离的数据处理系统中执行相对位置计算过程433，如下面更详细解释的那样。

由于在基准站处解析载波相位模糊度的困难，所以常规RTK计算使用载波相位测量的“双重差分”来消除卫星和接收机时钟误差，并有助于确定GPS载波相位测量中的整周模糊度。由于双重差分包括沿4个不同路径(从2个观测站中每个到2个卫星中每个)的观测，因此该方法在形成双重差分之前需要在基准站点上的原始载波相位测量被发送给用户，并且用户一直等到来自基准站点的数据到达。本发明通过使用新方法生成对基准子系统110上载波相位测量的校正，并且经由数据链路112从基准子系统110向用户子系统120发送代替原始测量的校正，从而与常规技术不同。

在基准子系统120处计算对载波相位测量的校正降低了用户子系统110必须执行的计算量，并且通常消除了用户子系统110具有有关定位基准接收机310的信息的需要。此外，尽管原始测量反映了卫星101(以及形成测量的接收机)的整个动态，但是校正使动态被消除，因而仅仅随时间缓慢改变。这意味着由计算时间和数据链路传送时间所引入的等待时间的影响变得不大明显。在基准子系统120处计算校正还允许从基准子系统120到用户子系统110的较低数据传送速率。例如，一赫兹的数据传送速率可以容易地用来支持十赫兹的用户位置输出。

图6A说明了根据本发明的一个实施例的由用户子系统110执行的初始化过程401。如图6A所示，初始化过程401包括形成载波平滑码测量的步骤602。在步骤602中，使用在L1和L2频率上的相应载波相位测量的组合来平滑在用户接收机210处获得的码测量。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码测量中的任何一个可以用作L1或L2码测量。然而，由于在两个差分码上的测量之间存在小偏差，因此这两个中无论哪个被用于基准子系统310，相同的也应该被用于用户子系统210中的等同过程。在以下讨论中，对于在用户接收机210处可见的每个卫星和对于每个测量信号出现时间，L1和L2频率将被分别称为f₁和f₂，在L1和L2频率上原始伪距码测量将被分别称为P₁和P₂，以及在L1和L2频率上的原始载波相位测量将被分别称为₁和₂。

在本发明的一个实施例中，相对于每个卫星101的L1和L2频率的载波相位测量的线性组合被形成，以匹配L1和L2频率上相应码测量的电离层折射效应。匹配在P₁码测量上的电离层折射效应的载波相位组合被称为M₁，并且被如下构成：

$M_1=\frac{f_1^2+f_2^2}{f_1^2-f_2^2}{L}_1-\frac{2f_2^2}{f_1^2-f_2^2}{L}_2\≅4.09L_1-3.09L_2---\left(1\right)$

匹配在P₂码测量上的电离层折射效应的载波相位组合被称为M₂，并且被如下构成：

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

其中L₁和L₂分别是由L1和L2信号的波长衡量的载波相位测量，并且各包括近似整周模糊度值，所述近似整周模糊度值被添加以使所衡量的载波相位测量与相应码测量接近相同的值。因而，

L₁＝(₁+N₁)λ₁    (3)

L₂＝(₂+N₂)λ₂    (4)

其中N₁和N₂的整周值在载波相位跟踪开始时已经被初始化，以给出位于相应码测量的一个载波波长内的值，以便使所衡量的载波相位测量与相应码测量之间的差很小。

利用载波相位组合M₁和M₂，平滑码测量可以被如下构成：

O_i，j＝O_i-1，j+(P_i，j-M_i，j-O_i-1，j)/η    (5)

S_i，j＝O_i，j+M_i，J    (6)

其中，下标i用来表示特定测量信号出现时间，下标j用来表示两个不同频率上的测量，所以j＝1或2，0表示在码测量与相应载波相位组合之间的平滑偏移，以及S表示平滑码测量。η的值等于i，直至达到最大平均值。例如，如果载波相位测量被假定为仅仅具有码测量的噪声的1/100，则“η”的值将被限制为100²或10,000。

可选择地，平滑码测量可以被如下获得：

其中：

该可选择的平滑过程使用载波相位组合中的变化来向前投射码测量，然后平均在投射与码测量之间的差。

两个频率上的平滑码测量可以被组合以形成如下的折射校正(RC)平滑码测量：

$S_i=\frac{f_1^2}{(f_1^2-f_2^2)}{S}_{i,1}-\frac{f_2^2}{(f_1^2-f_2^2)}{S}_{i,2}\≅S_{i,1}-1.5457(S_{i,1}-S_{i,2})---\left(8\right)$

可以在共同拥有的美国专利申请号为10/630,302的专利申请“Method for Generating Clock Corrections for a Wide-Area orGlobal Differential GPS System”中发现用于获得RC载波平滑码测量的不同过程，该申请的公开被结合于此以作参考。

在每个连续测量信号出现时间中可以产生可靠的RC载波平滑码测量之前，可以得到包括多个测量信号出现时间的初始化周期。在经过初始化周期之后，初始化过程401还包括步骤604，在该步骤中，计算对估计的用户位置的校正。虽然可以在步骤604中使用若干常规卫星导航方法中的任何一个，但是在本发明的一个实施例中，使用最小二乘法过程在步骤604中计算位置校正。在最小二乘法过程中，使用了相对于卫星的测量的导航被描述为由一组线性随机差分方程支配的离散时间受控过程，每个线性随机差分方程对应于所涉及的卫星101之一。对于所涉及的每个卫星，方程可以被表示为

z＝hx+n    (9)

其中x是表示对离散时间受控过程的状态的校正的状态校正向量，在此情况下，其可以包括对用户位置的校正以及与用户接收机210关联的时钟时间；z表示测量修正(innovation)的值，其由在用户接收机210所得到的相对于卫星的测量与从原始估计的状态所计算的测量的预期值之间的差来定义；n表示测量的噪声；以及h是测量灵敏度向量，它表征测量对状态变化的灵敏度。

修正测量是在步骤602中计算的在L1或L2频率中的相对于卫星的载波平滑码测量，或者它可以是RC载波平滑码测量。无论哪种测量被用于修正，都应当使用在基准子系统120处执行并发送到用户子系统110的初始化过程402中计算的校正来校正它们，如下面更详细解释的那样.h向量是通过以泰勒级数展开使伪距测量与GPS接收机的位置相关的方程来形成的。h的元素包括测量修正相对于校正向量的一阶导数。状态校正向量x至少包括对基准位置的校正。它还可以包括对用户接收机时钟的校正。为了便于以下讨论，将假定状态向量是四元素向量，即状态仅仅包括对用户接收机位置和接收机时钟时间的校正。

方程(9)可以被展开，以使状态校正向量与在公共测量信号出现时间上相对于多个卫星的一组测量相关：

z＝Hx+n    (10)

在该方程中，z是由相对于多个卫星的修正组成的向量；H是由相对于多个卫星的测量灵敏度组成的矩阵；x仍然为状态向量；以及n是测量噪声向量，其包括与z中修正关联的一组测量噪声值。测量灵敏度矩阵H取决于卫星101的几何分布，该几何分布是指用户接收机210与卫星101之间几何关系的全部。向量z中的测量修正通常被称作前缀余项(prefix residual)。方程(10)的最小二乘解为：

x＝(H^TH)^-1H^Tz    (11)

其中上标T表示转置运算，以及上标“-1”表示矩阵求逆运算。

对使用公式(11)解方程(10)的替代是求出由下式给出的加权的最小二乘解：

x＝(H^TW^-1H)^-1H^TW^-1z    (12)

其中W是具有对角线元素和非对角线元素的测量协方差矩阵，其中对角线元素表示噪声向量n中的测量噪声的标准偏差，非对角线元素表示测量之间的协方差。由于测量之间的协方差通常假设为零，所以W的非对角线元素通常为零。

为了便于说明，在以下讨论中，使用简单的最小二乘法公式，即公式(3)。公式(3)可以被进一步简化以得到：

x＝AH^Tz    (13a)

或者

x＝Bz         (13b)

其中A＝(H^TH)^-1和B＝AH^T。

它有时还用来形成余项灵敏度矩阵S，其把修正z或前缀余项映射成对应于修正z中的测量的后缀余项。后缀余项被表示为余项向量Δ中的元素：

Δ＝Sz        (14)

其中

S＝(I-H(H^TH)^-1H^T)＝I-HB    (15)

其中I是单位方阵，其具有等于测量的数量或者z中元素的数量的秩。

初始化过程401还包括步骤606，其中把对校正向量x中的用户位置的校正添加到原始估计的用户位置，以给出用户接收机位置的校正的估计。对用户接收机时钟的校正通常被视作多余参数，并且不被更新。这是可能的，因为与接收机时钟的相关性是线性的，并且值的大误差不影响位置解。由于距离公式即公式(9)-(15)是非线性的，因此如果初始位置估计具有大误差，则步骤604和606可能需要迭代。可以使用在测量信号出现时间中获得的相同组的测量来迭代初始化过程401中的步骤604和606。或者，迭代可以包括步骤602的一部分以及步骤604和606，以覆盖多个测量信号出现时间。因而，可以在用户位置的良好估计以及关联矩阵A和H(或者B和S)被获得之前，采用在初始化过程201中的若干主信号出现时间。

此后，初始化过程401还包括步骤608，其中根据该用户位置的良好估计，通过首先求解载波相位测量中的整周模糊度，可以确定RTK位置。常规模糊度搜索技术可以用于此目的。可选择地，可以使用共同拥有的美国专利申请的专利申请“Fast Ambiguity Resolution forReal-Time Kinematic Survey and Navigation”中描述的模糊度搜索技术，该申请的公开被结合于此以作参考。所求解的整周模糊度用于调整载波相位测量，以及所调整的载波相位测量被用来通过使用公式(9)至(15)来计算用户接收机位置，以获得将在后续处理中使用的初始用户位置。

如图6A所示，除了不执行步骤608外，基准子系统120执行的初始化过程402类似于初始化过程401。此外，来自固定基准站130或来自网络中心140的校正可以被用来校正形成修正向量z所使用的测量。此外，附加步骤609被包括以计算用于经由数据链路112发送给用户子系统110的测量校正。为了在步骤609中计算测量校正，所校正的用户位置被用来计算到在该计算中所涉及的卫星101中每个的理论距离。从测量中减去该理论距离，以给出对测量的原始校正，即

εⁱ＝mⁱ-ρⁱ    (16)

其中上标i表示特定卫星101，mⁱ表示特定类型的测量，比如相对于卫星的平滑码或载波相位测量，ρⁱ表示计算的相对于卫星的理论距离，以及εⁱ表示对测量的原始校正。

原始校正由公共接收机时钟误差来偏置，其可以通过获取在所有涉及的卫星101上特定类型的测量的原始校正的平均值来估计。然后通过从原始校正中除去该公共偏置来获得对测量的无偏校正δ：

${\mathrm{\δ}}^i={\mathrm{\ϵ}}^i-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ϵ}}^k---\left(17\right)$

对于每个测量类型，即相对于每个涉及的卫星101的L1平滑码、L2平滑码、L1载波相位和L2载波相位，生成一组这些校正。计算校正的该方法确保，用于计算移动基准接收机的任何全球、广域或RTK校正被自动反映在为了传输给用户接收机而生成的校正中。如果移动基准位置是平滑的，即位置中没有突然跳跃，则校正将是平滑的，并且它们将仅仅随时间缓慢地改变值。

一旦在初始化过程410中计算初始用户位置和关联矩阵A和H(或B和S)，就开始高速率过程412和低速率过程414。类似地，一旦在初始化过程402中计算初始基准位置和关联矩阵A和H(或B和S)，就开始高速率过程422和低速率过程424。在本发明的一个实施例中，过程412和414(或过程422和424)的性能由RTX268(或RTX368)控制，RTX268(或RTX368)在初始化过程401(或402)之后启动两个分离的线程，以分别运行过程412和414(或过程422和424)。较高优先级可以被给予运行高速率过程414(或424)的线程，以及较低优先级可以被给予运行低速率过程412(或422)的线程。RTX还控制在每个线程上数据的排队以及在线程之间数据的传递，如下面更详细解释的那样。

低速率过程414(或424)利用位置校正过程415(或425)在每个主信号出现时间计算对相应接收机位置的校正以及关联矩阵A和H(或B和S)。图6B说明了根据本发明一个实施例的由用户子系统110执行的位置校正过程415和由基准子系统120执行的位置校正过程425。如图6B所示，基准子系统120执行的位置校正过程425包括步骤610，在该步骤中，通过更新来自初始化过程(402)或前一位置校正过程425的载波平滑码测量，形成载波平滑码测量。用来计算载波平滑码测量的原始测量可以包括基准接收机310从固定基准站130或者从网络中心140接收的校正。如上所述，相对于每个卫星的L1和L2频率的载波平滑码测量可以用来形成载波平滑码测量的折射校正(RC)组合。

基准子系统120执行的位置校正过程425还包括步骤620，在该步骤中，计算在高速率过程422中最近计算的基准位置的更新。，包括上面结合公式(9)至(15)所述的位置校正计算过程的类似于步骤604中的过程，可以被用来在步骤620获得对基准位置的校正以及关联矩阵A和H(或B和S)。对基准位置所计算的校正进行排队，以供也由基准子系统120执行的高速率过程422使用，如下面更详细解释的那样。

基准子系统120执行的位置校正过程425还包括计算测量校正的步骤630。为了计算校正，对基准位置的计算校正从高速率过程被添加到基准位置更新，以获得基准位置的校正估计，然后使用该校正估计计算到在该计算中所涉及的卫星101中每个的理论距离。随后根据公式(16)和(17)计算测量校正，如上所述。计算的校正经由数据链路112被发送给用户子系统110，如图6B所示。

为了确保低速率过程420中计算的校正仅仅缓慢变化，以便不在用户子系统110上引入任何等待时间问题，非常平滑的基准位置输出是期望的。使用平滑码测量来计算基准位置校正(如上所述)有助于确保基准位置更新是平滑的。此外，必须注意，来自一个或多个卫星的测量的减少或增加并不造成位置的阶跃变化。多个不同方法可以用来处理测量的减少或增加，以确保平滑基准位置输出。一种方法是在低速率过程424中利用Kalman滤波器，其使载波相位测量的权重明显高于码测量。另一种方法是当在低速率过程424中使用最小二乘法技术时，引入朝着零驱动余项的测量偏置状态。不允许这些偏置状态非常快速地改变。当来自新卫星的测量被引入解时，设置其偏置状态，以使测量与从其它卫星获得的位置相一致。当来自一个或多个卫星的测量丢失时，允许偏置状态仅仅缓慢调整。

使用由可以从John Deere and Company，U.S.A.得到的StarFire全球和广域网所提供的全球或广域差分GPS校正来校正在低速率过程424中用来计算校正的测量，将使得基准解更精确并且有助于确保位置解是平滑的。使用用于基准位置的RTK解甚至是可能的，这取决于来自某一其它(大概固定的)基准站点130的校正。这种实施可以例如被用作一种在存在障碍物或者山的环境下扩展站点的直线的方法。基准接收机310可以是便携或车载接收机，该接收机按照需要定位，以确保用户接收机210在站点的直线中，同时它保持在固定基准接收机130的站点的直线中。

美国政府所开发的广域增强系统提供了在位置解中可能引入10厘米或更多阶跃变化的校正。因而，除非用某一方法来平滑这些阶跃，否则它们可能对用户接收机上的相对导航或等待时间效应具有不利影响。

如图6B所示，用户子系统执行的位置校正过程415包括步骤640，在该步骤中，通过更新来自初始化过程401或前一位置校正过程415的载波平滑码测量，形成载波平滑码测量。如上所述，相对于每个卫星的L1和L2频率中的载波平滑码测量可以用来形成载波平滑码测量的折射校正(RC)组合。

用户子系统110执行的位置校正过程415还包括步骤650，在该步骤中，经由数据链路112从基准子系统120最近接收的对GPS测量的校正用来校正相应GPS测量，包括在步骤640中的载波相位测量和载波平滑码测量，以获得相应校正测量。由于该校正随时间缓慢变化，因此在用户子系统110上使用作为早一秒或多秒的校正对于位置校正过程415而言是可接受的。测试已经显示，这使位置噪声增加了可忽略的量。因此，用户子系统110不需要等待来自基准子系统120的将要生成启动处理它自己的GPS测量的同步校正，这意味着用户子系统110上的位置更新过程410经历较少的等待时间，该等待时间归因于在基准子系统120上计算校正的延迟或者利用数据链路112从基准子系统120向用户子系统110传输校正的延迟。

如果基准子系统120利用某种形式的导航，其中基准位置被允许采用某一突然位置跳跃，则非标准处理过程将出现。例如，如果WAAS差分系统被用来使用规定算法来导航对象120A，则10厘米跳跃是普遍的。为了避免相对向量差中类似大小的位置跳跃，需要延迟用户子系统110中的最小二乘法计算，直至在用户子系统110上接收到来自相同信号出现时间的校正。这导致用户接收机位置更新的输出中增加的等待时间。

用户子系统110所执行的位置校正过程415还包括步骤660，在该步骤中，在高速率过程412中最近计算和排队的对用户位置更新的校正被计算。上述的类似于步骤604中的过程可以用来在步骤660中获得对用户位置的校正和关联矩阵A和H(或者B和S)。对用户位置的计算的校正进行排队，以供也由用户子系统110执行的高速率过程412使用，如下面更详细解释的那样。

使用位置传播过程213，通过在初始化过程之后在每个或者一系列次信号出现时间计算更新的用户位置，高速率过程412及时向前传播用户位置。由于载波相位测量通常精确到小于1厘米，因此它们可以被用来及时向前传播接收机位置，仅有非常小的误差增长。如图7所示，在高速率过程212中特定次信号出现时间上的位置传播过程213包括步骤720，其中两个连续次信号出现时间之间的载波相位测量的变化被计算。可以使用L1载波相位测量来计算该变化，即对于所涉及的每个卫星101：

$\mathrm{\ΔL}=L_1^m-L_1^{m-1}---\left(18a\right)$

其中ΔL表示相对于特定卫星的载波相位测量的变化，L₁ ^m和L₁ ^m-1分别表示在特定次信号出现时间m上以及紧接在次信号出现时间m前的次信号出现时间m-1上相对于卫星的L1载波相位测量。可选择地，可以使用相应L1和L2载波相位测量的平均值来计算变化ΔL：

$\mathrm{\ΔL}=L_{12}^m-L_{12}^{m-1}---\left(18b\right)$

其中L₁₂ ^m和L₁₂ ^m-1分别表示在次信号出现时间m和次信号出现时间m-1上相对于卫星的L1和L2载波相位测量的平均值。

如果电离层折射是有关系的，则折射校正(RC)载波相位测量可以用来计算变化ΔL，即对于每个卫星，

$\mathrm{\ΔL}=L_{\mathrm{RC}}^m-L_{\mathrm{RC}}^{m-1}---\left(18c\right)$

其中L_RC ^m和L_RC ^m-1分别表示在次信号出现时间m和次信号出现时间m-1上相对于卫星的折射校正的载波相位测量。通过计算L1和L2频率中相应载波相位测量的线性组合，可以获得L_RC ^m或L_RC ^m-1：

$L_{\mathrm{RC}}=\frac{f_1^2}{(f_1^2-f_2^2)}{L}_1-\frac{f_2^2}{(f_1^2-f_2^2)}{L}_2\≅L_1-1.5457(L_1-L_2)---\left(19\right)$

在大多数情况下，根据公式(19)的该电离层折射校正过程往往增强测量中的噪声，因此在高速率位置传播过程213或223期间不期望使用它。此外，忽略两个连续次信号出现时间之间的时间间隔的电离层折射效应的变化，将仅仅引入小于载波相位测量中噪声的误差。因此，L1载波相位测量或者L1和L2载波相位测量的平均值优选地用于计算变化ΔL，因为它们比RC载波相位测量具有更少的噪声。

位置传播过程213还包括步骤730，其中在步骤720中计算的ΔL用来计算在两个相邻次信号出现时间m和m-1之间的用户接收机位置的变化。为了使用载波相位测量的变化来计算用户位置的变化，使用在低速率过程414中最近排队的具有A和H矩阵的公式(13a)。如果特定次信号出现时间是初始化过程401之后的第一少量次信号出现时间之一，则使用在初始化过程中计算的A和H矩阵。更有效的是，可以使用B矩阵和公式(13b)。然而，如果使用B矩阵，则S矩阵和公式(14)也需要被用来提供一种在高速率处理期间处理信号的周跳或损失的替代方法，如在共同拥有的代理人记录号为60877-0050的专利申请“GPS navigation using successive differences ofCarrier-phase measurements”中所述，该申请的公开被结合于在以作参考。S矩阵对用户位置通常是非常不敏感的。因此，只有当自最后的位置校正过程413以来用户接收机210已经经过了显著的距离，才需要对其进行重新计算。

不论A和H或者B和S矩阵是否被使用，由于在每个主信号出现时间在位置校正过程415中它们被计算一次，所以它们可以被重复使用，以在具有足够精度的次信号出现时间的序列中计算高速率位置更新，并由此不需要在每个次信号出现时间被重新计算。这大大减少了高速率过程413中的计算负荷，其中需要在每个次信号出现时间上重新计算以实施公式(13a)或公式(13b)和(14)的特定值仅仅是修正向量z的元素，当使用公式(18a)、(18b)或(18c)计算时，其仅仅是相对于所涉及的卫星101的载波相位测量的变化。

位置传播过程213还包括步骤74O，在该步骤中，RC载波相位变化或者差ΔL被用来使用公式(13a)或公式(13b)和(14)来计算用户接收机110的状态变化。该状态变化包括在次信号出现时间m-1中计算的用户接收机位置

的变化 因而，在次信号出现时间m中用户接收机位置 的更新可以被如下获得：

${\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{usr}}^m={\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{usr}}^{m-1}+\stackrel{\→}{X}---\left(19a\right)$

其中 表示对接收机位置 的校正，它是以xyz笛卡儿坐标并且根据以地球为中心、地球固定的坐标系。如果 位于北、东、上坐标系中，则位置变化 必须首先与适当的旋转矩阵R相乘，其中R还应当在低速率过程414中被计算，并且进行排队以供高速率过程412与A和H(或B和S)矩阵一起使用。在此情况下，

${\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{usr}}^m={\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{usr}}^{m-1}+R\stackrel{\→}{X}---\left(19b\right)$

其中

表示北、东和上坐标中的位置变化，以及

和 表示笛卡儿坐标的接收机位置更新。

在每个主信号出现时间中一次，通过把位置校正 添加到位置变化

上或者添加到传播的位置 上来进一步校正接收机位置

附加校正 在低速率过程414中被计算，并且进行排队以供高速率过程412使用，如上所述。 的周期性添加有助于防止在高速率更新 中的任何不准确性被累积。可以响应于低速率过程414中计算结果的最近排队，在

的计算之前或之后进行 的添加。此外，在每个主信号出现时间中一次，位置传播过程213还包括步骤760，其中用户位置更新

进行排队以供高速率过程414使用，如上所述。

位置传播过程213还包括步骤77O，其中用户位置更新 被输出给分离的数据处理系统或基准子系统120，以在步骤433中计算相对用户位置。可选择地或另外地，假设用户子系统110和基准子系统中的时钟被同步，则在相同的次信号出现时间m接收基准位置更新 之前，在用户子系统110处可以在步骤770中计算相对用户位置。无论在何处计算，相对位置

可以被计算为：

${\stackrel{\→}{X}}_r^m={\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{usr}}^m-{\stackrel{\→}{X}}_{\mathrm{ref}}^m---\left(20\right)$

如上所述，位置传播过程423在高速率过程422的相同次信号出现时间m中计算基准位置更新

并发送给用户子系统110或分离的数据处理系统以用于计算相对用户位置 如上所述，除了用涉及基准接收机310的相应部分替代涉及用户接收机210的部分外，基准子系统120的位置传播过程423的性能类似于用户子系统110的位置传播过程413的性能。

如上所述，在高速率过程412中生成的用户位置更新和在低速率过程422中生成的基准位置更新被用来通过使用过程433来计算相对位置向量，如图4B所示。如果计算所需的基准位置更新可以被及时发送给用户子系统110，则作为高速率过程412的一部分或者在初始化过程401之后的分离线程，过程433可以在用户子系统110中被执行。如果在高速率过程412中进行相对位置向量的计算，则特定次信号出现时间的基准位置更新需要在该次信号出现时间内被发送给用户子系统110。通过使用用于过程433的分离线程，在计算用于特定次信号出现时间的相对位置向量之前，用于该次信号出现时间的过程433可以等待用于该次信号出现时间的基准位置更新的到达。这样，用于次信号出现时间的基准位置更新不需要在该次信号出现时间内被发送给用户子系统110，但是用于该次信号出现时间的过程433的结果可能不是可用的，直至若干次信号出现时间过后。同样，如果计算所需的用户位置更新可以被及时发送给基准子系统120，则作为高速率过程422的一部分或者在初始化过程402之后的分离线程，过程433也可以在基准子系统120中被执行。过程433还可以在分离的数据处理系统中被执行。计算相对位置向量的唯一要求是，用户和基准接收机的位置都是可用的。

Claims (20)

1.一种用于参考第二对象来导航第一对象的方法，包括：

根据在第一对象处从多个卫星接收的信号来获得一组载波相位测量；

使用在第二对象处计算的校正来校正该组载波相位测量；以及

使用所校正的该组载波相位测量来确定用于第一对象的位置校正。

2.权利要求1所述的方法，还包括把位置校正添加到第一对象的计算位置上以获得第一对象的校正位置。

3.权利要求2所述的方法，还包括使用在第一对象处从多个卫星获得的载波相位测量的连续变化来计算用于第一对象的位置更新。

4.权利要求3所述的方法，其中载波相位测量的变化是折射校正的。

5.权利要求1所述的方法，其中确定位置校正包括求解载波相位测量中的整周模糊度。

6.权利要求1所述的方法，其中第二对象是移动对象。

7.权利要求6所述的方法，还包括：

从第二对象接收第二对象的计算位置；以及

计算在第一对象的计算位置与第二对象的计算位置之间的向量差。

8.一种基准站向至少一个导航对象提供测量校正的方法，包括：

在基准站处根据来自多个卫星的信号来获得码和载波相位测量；

形成对应于码和载波相位测量的载波平滑码测量；

使用载波平滑码测量来确定基准站的位置；

使用基准站的位置来计算在基准站与多个卫星中每个之间的理论距离；

使用理论距离来计算测量校正；

把测量校正发送给至少一个导航对象。

9.权利要求8所述的方法，其中码和载波相位测量包括由广域或全球导航系统所提供的测量校正。

10.权利要求8所述的方法，其中载波平滑码测量包括由广域或全球导航系统所提供的测量校正。

11.在包括移动基准站的卫星导航系统中，一种用于相对于移动基准站的位置来确定卫星导航系统的用户的位置的方法，包括：

根据在移动基准站处从多个卫星接收的信号来确定移动基准站的位置；

基于在用户处根据用户从多个卫星接收的信号而获得的测量以及从移动基准站接收的对测量的校正，确定用户位置；以及

计算在用户的位置与移动基准站的位置之间的向量差。

12.权利要求11所述的方法，其中在用户处计算向量差。

13.权利要求11所述的方法，其中在移动基准站处计算向量差。

14.权利要求11所述的方法，其中在分离的数据处理系统处计算向量差，所述分离的数据处理系统从用户接收用户的位置以及从移动基准站接收移动基准站的位置。

15.权利要求11所述的方法，其中确定基准站的位置包括，基于在基准站处根据来自多个卫星的信号而获得的载波相位测量的变化，确定基准站的位置的变化；

16.权利要求11所述的方法，其中确定用户的位置包括，基于在用户处根据来自多个卫星的信号而获得的载波相位测量的变化，确定用户的位置的变化。

17.一种卫星导航系统，包括：

基准子系统，其被配置成：

根据由基准子系统从多个卫星接收的信号来获得第一卫星距离测量；

根据第一卫星距离测量来确定与基准子系统关联的基准位置；以及

计算对第一卫星距离测量的误差校正，该误差校正包括对载波相位测量的误差校正；以及

用户子系统，其被配置成：

从基准子系统接收误差校正；

根据由用户子系统从多个卫星接收的信号来获得第二卫星距离测量，该第二卫星距离测量包括载波相位测量；

使用误差校正来调整第二卫星距离测量；以及

基于调整的第二卫星距离测量来确定用户位置；以及

其中卫星导航系统通过对用户位置和基准位置进行差分来确定相对位置向量。

18.一种在其中存储计算机可读指令的计算机可读介质，所述计算机可读指令在由处理器执行时，使处理器执行一种用于参考第二对象来导航第一对象的方法，所述指令包括：

用于根据在第一对象处从多个卫星接收的信号来获得一组测量的指令；

用于使用在第二对象处根据在第二对象处从多个卫星接收的信号所计算的校正来校正该组测量的指令；以及

用于使用所校正的该组测量来确定用于第一对象的位置校正的指令。

19.权利要求18所述的计算机可读介质，还包括用于把位置校正添加到第一对象的计算位置上以获得第一对象的校正位置的指令。

20.权利要求19所述的计算机可读介质，还包括用于使用在第一对象处从多个卫星获得的一组载波相位测量的连续变化来计算用于第一对象的位置更新的指令。

21.一种在其中存储计算机可读指令的计算机可读介质，所述计算机可读指令在由处理器执行时，使处理器执行一种基准站向至少一个导航对象提供测量校正的方法，所述指令包括：

用于在基准站处根据来自多个卫星的信号来获得码和载波相位测量的指令；

用于形成对应于码和载波相位测量的载波平滑码测量的指令；

用于使用载波平滑码测量来确定基准站的位置的指令；

用于使用基准站的位置来计算在基准站与多个卫星中每个之间的理论距离的指令；

用于使用理论距离来计算测量校正的指令；

用于把测量校正发送给至少一个导航对象的指令。

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