RU2267796C2

RU2267796C2 - Способ оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции

Info

Publication number: RU2267796C2
Application number: RU2004105115/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Гармонов (RU); Александр Васильевич Гармонов; Юрий Николаевич Прибытков (RU); Юрий Николаевич Прибытков; Константин Анатольевич Зимовец (RU); Константин Анатольевич Зимовец; Андрей Юрьевич Савинков (RU); Андрей Юрьевич Савинков; Юнг Сик Ли (KR); Юнг Сик Ли
Original assignee: Корпорация "Самсунг Электроникс"
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2006-01-10
Also published as: RU2004105115A

Abstract

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в сотовых системах связи для увеличения точности определения местоположения мобильной станции. Техническим результатом является повышение точности определения местоположения мобильной станции. Повышение точности определения местоположения мобильной станции достигается за счет того, что формируют базу данных многолучевых ошибок псевдорасстояний по типу местности (открытая местность, городская местность, сельская местность и т.д.), углу возвышения спутника и отношению сигнал/шум для принятого сигнала спутника. Оценка параметров многолучевых ошибок с учетом типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал-шум позволяет наиболее эффективно учесть среду распространения сигналов спутников и получить статистическое описание многолучевых ошибок. Использование угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум позволяют учесть параметры не только многолучевой, но и шумовой ошибок в измерениях псевдорасстояний. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к способу оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции, и может быть использовано в сотовых системах связи для увеличения точности определения местоположения мобильной станции.

Постоянное повышение качества и расширение сферы услуг в системах сотовой мобильной связи делает особенно актуальным решение задачи определения местоположения мобильной станции (МС).

Данная задача имеет широкий спектр применения. Определение местоположения мобильной станции (локация) необходимо для нахождения пользователей, нуждающихся в медицинской, милицейской или другой помощи, для осуществления диспетчерских функций парка машин, например, "скорой помощи" или такси, для специальных милицейских или военных целей и др. Далее будем использовать термин "локация".

Одним из распространенных способов локации является способ с использованием спутниковых навигационных систем, среди которых наиболее распространенной является система Global Positioning System (GPS) (GPS SPS Signal Specification, June 2, 1995, 2-nd Edition) [1]. GPS - это система передатчиков спутниковых сигналов, которые передают информацию, на основе которой можно определить местоположение наблюдателя. Система GPS сформирована таким образом, что минимум четыре спутника GPS видны из самых удаленных точек на поверхности Земли. Это позволяет использовать GPS систему для определения положения наблюдателя в любом месте Земли. На каждом спутнике находятся цезиевые или рубидиевые атомные часы, обеспечивающие синхронизацию сигналов, переданных спутниками. В GPS системе осуществляется постоянный контроль за ходом часов на спутниках и в случае необходимости осуществляется коррекция часов для каждого спутника.

Каждый спутник GPS непрерывно передает навигационные сигналы. В передаваемых сигналах содержится информация о том, когда этот сигнал был передан, какие координаты спутника были в данный момент и т.д. Расстояние между спутником и GPS приемником мобильной станции (далее МС) может быть определено посредством измерения временной задержки между временем приема сигнала на GPS приемнике МС и временем, когда этот сигнал был передан спутником. GPS приемник МС генерирует такой же сигнал, как и спутник, благодаря чему GPS приемник может оценить временную задержку между сигналами. Но так как часы GPS приемника МС не точно синхронизированы с атомными часами на спутнике, то GPS приемник МС оценивает псевдорасстояния. Поскольку GPS приемник может быть расположен на мобильной станции и является ее частью, то далее будем упоминать мобильная станция (МС).

Наиболее часто прием сигналов во время локации осуществляется в городских условиях, в связи с чем большинство измерений псевдорасстояний содержат ошибки, связанные с непрямым распространением сигналов. Когда число "загрязненных" измерений мало (не более двух), задача повышения точности оценки местоположения может быть решена за счет использования различных способов FDI (Fault Detection and Isolation) - обнаружения и устранения ошибок измерений (книга Elliott D. Kaplan Understanding GPS: Principles and Applications. Artech House, February 1996, 570 pp., ISBN 0890067937) [2]. В основе данных способов лежит подход, основанный на определении измерений, подверженных многолучевости, и удалении их из системы навигационных уравнений.

Один из способов FDI описан в патенте US 5841399 "Fault detection and exclusion used in a global positioning system GPS receiver" J. Yu, H 04 B 7/185; G 01 S 5/02, Nov.24, 1998 [3].

В упомянутом способе в процессе локации определяют взвешенную сумму мер ошибок измерений расстояний от всех спутников, причем за меру ошибки принимают квадрат разности между измеренным расстоянием и расстоянием до предполагаемого местоположения МС. Находят местоположение МС, соответствующее минимуму взвешенной суммы мер ошибок, используя измерения всех базовых станций (БС), и сравнивают значение минимума взвешенной суммы мер ошибок с порогом, по которому принимают решение о наличии ошибочных измерений. Если принято решение о наличии ошибок, то определяют для каждого спутника взвешенную сумму мер ошибок от всех БС, кроме данной. Для каждой полученной суммы находят местоположение МС, соответствующее минимуму для данной суммы. Затем находят минимальную сумму среди множества данных взвешенных сумм и сравнивают ее с порогом. Данные операции повторяют до тех пор, пока взвешенная сумма не окажется меньше порога, тогда полученные координаты МС принимают за окончательные, или до принятия решения о том, что локация не увенчалась успехом.

Недостатком такого решения является невозможность достоверного обнаружения ошибочных измерений в случае, когда два или более измерений псевдорасстояний содержат аномальные ошибки, что очень характерно в случае локации в городских условиях. В случае, когда аномальные ошибки содержатся в двух или более измерениях, может сложиться ситуация, когда удаление одного не ошибочного измерения приведет к тому, что значение взвешенной суммы ошибок не превысит порог, тогда данная оценка местоположения будет принята за окончательную, что приведет к увеличению ошибки в оценке местоположения.

В литературе известно достаточно много различных способов FDI, однако применение данных способов в случае наличия многолучевых ошибок у большинства измерений не позволяет повысить точность локации. Таким образом, в случае определения местоположения в городских условиях необходимо использовать альтернативные способы оценки местоположения.

Наиболее эффективным является использование калибровочных таблиц для многолучевых ошибок. Иными словами, для оценки местоположения мобильной станции используют статистическую информацию о характере многолучевых ошибок, полученную по предварительным испытаниям. Однако основной проблемой при составлении калибровочных таблиц является неизвестное рассогласование часов мобильной станции и времени GPS.

Один из способов формирования калибровочной таблицы и дальнейшего исполнения ее для оценки местоположения МС в городских условиях рассмотрен в патенте US 5926133 "Differentially corrected position location system and method for mobile communication networks" Int. Cl. H 01 Q 21/06, July 20, 1999 [4].

В этом способе предлагается установить в районе локации в известных точках множество излучателей, сформировав сеть из них, как показано на фиг.1 и фиг.2. Затем на БС сотовой сети (BTS₁, BTS₂, BTS₃ и т.д.) измерить ошибки от каждого излучателя (Tr₁, Tr₂, Tr₃ и т.д.), связанные с непрямым распространением сигнала, и занести их в базу данных. Таким образом, когда МС делает запрос на определение местоположения, соседние БС измеряют задержки от МС и, используя заранее сформированную базу данных, корректируют местоположение МС.

К основному недостатку данного способа формирования калибровочной таблицы и дальнейшего использования ее для оценки местоположения МС можно отнести необходимость изменения аппаратной части базовой станции, а также необходимость дополнительного оборудования для составления калибровочной таблицы. Необходимо отметить, что точность коррекции местоположения МС в данном способе зависит от расстояния между точками, которые брались для составления калибровочной таблицы. Для получения удовлетворительной точности необходимо, чтобы тестовые точки отстояли не более чем на 50 м, что с учетом размеров города приведет к огромному числу необходимых испытаний. Также невозможно применить сформированную таблицу в других городах, что существенно снижает общность решения. Хотелось бы отметить, что данный способ не применим при использовании в качестве навигационных сигналов сигналов от спутников.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ, описанный в патенте US 5726659 "Multipath calibration in GPS pseudorange measurement". Int. Cl.⁶ H 04 B 7/185, G 01 S 5/02, G 01 S 3/16, опубликован 10 марта 1998 г. [5].

Этот способ заключается в том, что:

- принимают N сигналов локации, соответствующих каждому из N спутников;

- по принятым сигналам локации оценивают псевдорасстояния и фазу от МС до каждого из N спутников;

- для каждого спутника определяют ошибку оценки псевдорасстояния;

- удаляют из ошибок оценки псевдорасстояния неизвестное рассогласование часов МС и глобального времени GPS, используя измерения псевдорасстояния и фазы;

- формируют базу данных ошибок псевдорасстояний по углу возвышения и азимуту, при этом все возможные значения углов разбивают на дискретные интервалы;

- значения многолучевых ошибок заносят в калибровочную таблицу;

- значения ошибок усредняют для каждого интервала угла возвышения и азимута, формируя средние значения;

- полученные средние значения ошибок сглаживают, получая непрерывную функцию многолучевой ошибки от угла возвышения и азимута.

Данный способ формирования калибровочной таблицы направлен на улучшение точности оценки местоположения МС. В этом способе формирования калибровочной таблицы предполагается, что GPS приемнику доступны следующие измерения для всех спутников:

ρ₁, ρ₂ - измеренные псевдорасстояния на частотах L1 и L2 соответственно,

φ₁, φ₂ - измерение фазы несущей частоты L1 и L2 соответственно.

Используя данные измерения для j-го спутника можно записать следующие уравнения:

ρ1^j=d^j+i^j+t^j+m1^j-B^j+b+η1^j,

φ1^j=d^j-i^j+t^j-B^j+b-N1^j·λ1,

ρ2^j=d^j+i^j+t^j+m2^j-B^j+b+η2^j,

φ2^j=d^j-γ·i^j+t^j-B^j+b-N2^j·λ2,

где

d - расстояние от МС до спутника,

i - временная задержка ионосферы для L1 частоты,

t - задержка тропосферы,

m1, m2 - многолучевость в псевдорасстоянии для L1 и L2 частот соответственно,

В - смещение часов спутника,

b - смещение часов МС,

η1, η2 - шумовая ошибка в псевдорасстоянии для L1 и L2 частот соответственно,

N1, N2 - число циклов в измерении фазы несущей,

λ1, λ2 - длинна волны L1 и L2 частот соответственно,

Далее определяют многолучевую ошибку в псевдорасстоянии для частоты L1 с точностью до неизвестного количества цикла фазы несущей, удаляя неизвестное рассогласование часов МС и глобального времени GPS следующим образом:

- Определяют расхождение (Δl^j) в измерениях псевдорасстояний и фазы несущей на частоте L1:

Δl^j=ρ1^j-φ1^j=d^j+i^j+t^j+m1^j-B^j+b+η1^j-d^j+i^j-t^j+B^j-b+N1^j·λ1=2i^j+m1^j+η1^j+N1^j·λ1

- Определяют ионосферную задержку несущей:

Тогда псевдомноголучевую ошибку (многолучевую ошибку с точностью до неизвестного количества циклов в измерении фазы несущей) можно записать в следующем виде:

Как видно из приведенных выше уравнений, величина μ1^j не содержит неизвестное рассогласование часов. Перепишем приведенное выше выражение в явном виде:

Как видно, величина μ1^j совпадает с величиной m1^j с точностью до постоянной N1^j·λ1. Шумовая ошибка η1^j в данном выражении может быть уменьшена использованием различных методов фильтрации. Производя несложные математические преобразования, можно переписать приведенное выше уравнение с использованием новых переменных:

где

- среднее значение псевдомноголучевого смещения j-го спутника относительно опорного спутника в точке cross over. Точка cross over характеризуется тем, что в данной точке траектории двух различных спутников пересекаются по азимуту и углу возвышения.

Величины

для различных углов возвышения и азимутов могут быть получены посредством многократных измерений в точках cross over для различных спутников. Далее, усредняя данные величины для одинаковых диапазонов углов возвышения и азимутов, определяют среднее значение псевдомноголучевого смещения

. Это позволяет определить многолучевую ошибку с точностью до постоянного смещения для опорного спутника:

Несмотря на то, что в данные выражения входит постоянная составляющая - это не сказывается на точности определения местоположения МС, т.к. данная величина постоянна для всех диапазонов углов возвышения и азимутов. Далее многолучевые ошибки сглаживают, применяя метод сферических гармоник:

где

θ, φ - угол возвышения и азимут соответственно,

J_l, C_lm, S_lm - калибровочные коэффициенты сферических гармоник,

Р_lm(•) - полиномы Лежандра.

Описанный алгоритм позволяет получить среднее значение многолучевой ошибки для фиксированного положения МС с точностью до постоянной константы для различных углов возвышения и азимутов. Однако данный способ обладает рядом существенных недостатков:

- Во первых, данный способ получения калибровочной таблицы позволяет получить только среднее значение многолучевой ошибки, что не является точным (полным) описанием модели ошибки даже в случае гауссовского закона распределения. Поэтому данный способ не позволяет использовать полную статистическую информацию о многолучевых ошибках для определения местоположения МС, особенно в городских условиях.

- Во-вторых, значение многолучевой ошибки непосредственно зависит от местоположения МС. Поэтому при изменении местоположения МС невозможно использовать результаты, полученные с использованием калибровочной таблицы, рассчитанной для предыдущего местоположения МС, что существенно сужает область применения данного способа.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности определения местоположения мобильной станции.

Технический результат достигается за счет того, что в способ оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции, заключающийся в том, что

на мобильной станции принимают N сигналов локации, соответствующих каждому из N спутников,

по принятым сигналам локации оценивают псевдорасстояния от мобильной станции до каждого из N спутников,

для каждого спутника определяют ошибку оценки псевдорасстояния,

из ошибок оценки псевдорасстояний удаляют оценку неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции,

формируют базу данных многолучевых ошибок псевдорасстояний в зависимости от угла возвышения спутника, при этом все возможные значения угла возвышения спутника разбивают на фиксированные дискретные интервалы,

запоминают значения многолучевых ошибок псевдорасстояний с учетом угла возвышения спутника,

сглаживают параметр многолучевой ошибки псевдорасстояний, формируя непрерывную функцию параметра многолучевой ошибки псевдорасстояний с учетом угла возвышения спутника,

согласно изобретению вводят следующую последовательность отличительных признаков:

по принятым сигналам локации оценивают отношение сигнал/шум и среднеквадратическое отклонение псевдорасстояния для каждого сигнала от каждого из N спутников,

ошибку оценки псевдорасстояния для каждого спутника определяют с точностью до временного рассогласования часов мобильной станции как разность между оцененным псевдорасстоянием и расстоянием до истинного местоположения мобильной станции,

для оценки неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции используют измерения псевдорасстояний и среднеквадратические отклонения измерений псевдорасстояний М спутников, находящихся в зоне прямой видимости, где М принимает значения от 1 до N,

при формировании базы данных многолучевых ошибок псевдорасстояний учитывают тип местности и отношение сигнал/шум для сигналов спутников, при этом все возможные значения отношения сигнал/шум разбивают на фиксированные дискретные интервалы,

значения многолучевых ошибок псевдорасстояний с учетом типа местности и отношения сигнал/шум спутников запоминают,

по занесенным в базу данных значениям многолучевых ошибок оценивают параметры многолучевых ошибок с учетом каждого типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум на каждом дискретном интервале,

непрерывную функцию параметров многолучевой ошибки формируют, сглаживая полученные параметры многолучевых ошибок псевдорасстояний с учетом типа местности и отношения сигнал/шум.

При этом параметры многолучевых ошибок оценивают, например, в соответствии с гауссовским законом распределения.

Под параметрами многолучевых ошибок понимают среднее значение и дисперсию многолучевых ошибок.

В отличие от описанного прототипа, в котором для повышения точности определения местоположения мобильной станции используют калибровочную таблицу, которая строится по углу возвышения и азимуту спутника, в предлагаемом изобретении формируют базу данных многолучевых ошибок псевдорасстояний по типу местности, углу возвышения спутника и отношению сигнал/шум для принятого сигнала спутника. Использование для построения базы данных многолучевых ошибок типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум позволяет наиболее эффективно учесть среду распространения сигналов спутников. Базу данных многолучевых ошибок формируют таким образом, что она представляет набор матриц (значений), каждая из которых соответствует различным типам местности, например открытая местность, городская местность, сельская местность и т.д., где каждая ячейка данной базы данных характеризуется диапазоном значений угла возвышения каждого спутника и отношения сигнал/шум с учетом типа местности. Кроме того, использование типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум позволяют учесть параметры не только многолучевой, но и шумовой ошибок в измерениях псевдорасстояний.

Таким образом, перечисленные преимущества заявляемого способа существенно повышают точность определения местоположения мобильной станции, т.к. позволяют получить статистическое описание многолучевых ошибок для каждого типа местности.

Осуществление заявляемого способа оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции поясняется примерами выполнения и иллюстрациями.

На фиг.1 приведен пример расположения излучателей в сети сотовой связи.

На фиг.2 - пример распространения сигнала локации МС.

По существу, фиг.1 и фиг.2 иллюстрируют известный способ [5].

На фиг.3 показаны непрерывной линией оценки временного рассогласования часов мобильной станции и штрихпунктирной линией временной тренд, т.е. непрерывная функция изменения временного рассогласования.

На фиг.4 приведена структурная схема устройства как пример выполнения для осуществления заявляемого способа оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции.

На фиг.5 - пример выполнения блока формирования базы данных многолучевых ошибок псевдорасстояний.

На фиг.6 - пример выполнения блока формирования параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний.

Осуществляют заявляемый способ оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции следующим образом:

по принятым сигналам локации оценивают отношение сигнал/шум и среднеквадратическое отклонение псевдорасстояния для каждого сигнала от N спутников,

для каждого спутника определяют ошибку оценки псевдорасстояния с точностью до временного рассогласования часов МС как разность между оцененным псевдорасстоянием и расстоянием до истинного местоположения МС,

из ошибок оценки псевдорасстояний удаляют оценку неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции, используя для оценки неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции измерения псевдорасстояний и среднеквадратические отклонения измерений псевдорасстояний М спутников, находящихся в зоне прямой видимости, где М принимает значение от 1 до N,

формируют базу данных многолучевых ошибок псевдорасстояний в зависимости от типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для сигналов спутников, при этом все возможные значения угла возвышения и отношения сигнал/шум разбивают на фиксированные дискретные интервалы,

значения многолучевых ошибок псевдорасстояний с учетом угла возвышения спутника, типа местности и отношения сигнал/шум спутников запоминают,

по занесенным в базу данных значениям многолучевых ошибок оценивают параметры многолучевых ошибок с учетом каждого типа местности, угла возвышения и отношения сигнал/шум на каждом дискретном интервале, например, в соответствии с гауссовским законом распределения,

сглаживают параметры многолучевых ошибок псевдорасстояний, формируя непрерывную функцию параметров многолучевой ошибки псевдорасстояний с учетом типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум.

В заявляемом изобретении предполагается, что при формировании базы данных многолучевых ошибок информация о точном местоположении мобильной станции доступна. При этом мобильной станцией может быть как передвижная абонентская станция, так и передвижная базовая станция. Тогда ошибки в измерениях псевдорасстояний с точностью до неизвестного рассогласования часов могут быть записаны следующим образом:

где

,

- измерение псевдорасстояния и координаты i-го спутника в j-м тесте,

{x_MS, y_MS, z_MS} - координаты мобильной станции.

Для формирования оценки параметров (подразумевается статистических параметров) многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции необходимо провести множество измерений на мобильной станции и сформировать базу данных, которая будет содержать номер теста, тип местности, в которой проводились измерения, количество спутников в тесте, координаты спутников, измерения псевдорасстояний, среднеквадратическое отклонение измерений псевдорасстояний, ошибки измерений псевдорасстояний с точностью до неизвестного рассогласования часов, отношения сигнал/шум и углы возвышения спутников.

Мобильная станция может измерить псевдорасстояние до спутников с точностью до неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции и глобального времени GPS. Эта неизвестная величина может меняться во времени в общем случае по неизвестному закону и с разной скоростью в зависимости от стабильности опорного генератора в мобильной станции. Поэтому для нахождения параметров многолучевых ошибок необходимо исключить из измерений это неизвестное временное рассогласование. Для этого в каждом тесте выбирается один или несколько спутников, находящихся в прямой видимости. Очевидно, что измерения псевдорасстояний для этих спутников содержат только шумовую ошибку, которая может быть компенсирована за счет усреднения по времени. Если в одном тесте содержатся несколько спутников, находящихся в прямой видимости, то оценка временного рассогласования может быть получена следующим образом:

где

- оценка временного рассогласования мобильной станции и глобального времени GPS в j-м тесте,

d_k - расстояние до k-го спутника, находящегося в прямой видимости в j-м тесте,

pr_k - псевдорасстояние до k-го спутника, находящегося в прямой видимости в j-м тесте,

σ_k - среднеквадратическое отклонение (СКО) измерения псевдорасстояния до k-го спутника, находящегося в прямой видимости в j-м тесте,

с - скорость света.

Таким образом, получается последовательность оценок временного рассогласования часов мобильной станции во времени. На основе данных оценок может быть построен временной тренд, пример которого показан на фиг.3.

На фиг.3 оценки временного рассогласования часов мобильной станции показаны непрерывной линий, а временной тренд, т.е. непрерывная функция изменения временного рассогласования во времени - штрихпунктирной линией. Временной тренд может быть получен известными методами математической статистики, например методом скользящего среднего, методом наименьших квадратов или методом наименьших модулей. Необходимо отметить, что временной тренд позволяет получить значения временного рассогласования в тестах, в которых нет спутников, находящихся в прямой видимости.

Полученный описанным выше способом временной тренд оценки временного рассогласования позволяет получить истинные ошибки в измерениях псевдорасстояний для всех спутников следующим образом:

где

- истинное значение ошибки в измерении псевдорасстояния.

Тогда для формирования базы данных многолучевых ошибок все возможные значения углов возвышения спутников и отношений сигнал/шум разбивают на фиксированные дискретные интервалы. Формируют данные истинных ошибок псевдорасстояний до спутников в зависимости от типа местности, диапазона угла возвышения спутника и диапазона отношения сигнал/шум сигнала спутника. Далее вычисляют параметры многолучевых ошибок, например, в соответствии с гауссовским законом распределения, т.е. вычисляют среднее значение и дисперсию ошибок, усредняя значения в базе данных. Полученные таким образом параметры многолучевых ошибок (среднее значение и дисперсия) позволяют сформировать базу данных многолучевых ошибок псевдорасстояний. Для того чтобы получить значение параметров многолучевых ошибок от непрерывных значений отношения сигнал/шум и угла возвышения, каждый из параметров в базе данных многолучевых ошибок псевдорасстояний можно интерполировать методами сглаживания поверхности. Повторяя данную операцию для различных типов местности (открытое небо, пригород, село, город, городская местность с высокими зданиями и т.д.), можно получить статистическое описание многолучевых ошибок для каждого типа местности. Таким образом, сформированная база данных многолучевых ошибок позволяет учесть параметры многолучевых ошибок в зависимости от типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для принятого сигнала спутника, что в свою очередь приводит к существенному повышению точности оценки местоположения мобильной станции.

Заявляемый способ оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции осуществляют, например, на устройстве, структурная схема которого выполнена на фиг.4.

Устройство оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции содержит:

1 - N блоков формирования ошибки измерения псевдорасстояний 1₁-1_N,

2 - блок формирования решения о наличии измерений спутников, находящихся в зоне прямой видимости,

3 - блок оценки временного рассогласования часов МС и глобального времени GPS,

4 - блок удаления оценки временного неизвестного рассогласования часов МС,

5 - блок формирования базы данных многолучевых ошибок,

6 - блок формирования параметров многолучевых ошибок,

7 - блок формирования непрерывной функции параметров многолучевых ошибок.

N блоков формирования ошибки измерения псевдорасстояний 1₁-1_N предназначены для вычисления ошибки в измерении псевдорасстояний с точностью до неизвестного рассогласования часов мобильной станции и глобального времени GPS. На первые, вторые и третьи входы каждого блока формирования ошибки измерения псевдорасстояния 1₁-1_N поступают соответственно измерения псевдорасстояний, координаты спутников и координаты МС. На выходе каждого блока формирования ошибки измерения псевдорасстояния 1₁-1_N формируется величина, которую вычисляют по следующей формуле:

где pr - измерение псевдорасстояния,

{x_SV, y_SV, z_SV} - координаты спутника,

{x_MS, y_MS, z_MS} - координаты мобильной станции.

Выходные сигналы (сформированные ошибки измерений псевдорасстояний) с N блоков формирования ошибки измерения псевдорасстояний 1₁-1_N поступают на первые входы блока 2 формирования решения о наличии измерений спутников, находящихся в зоне прямой видимости, а на второй вход блока 2 поступает информационный сигнал о спутниках, находящихся в зоне прямой видимости.

Блок 2 формирования решения о наличии измерений спутников, находящихся в зоне прямой видимости, предназначен для анализа информации о спутниках, находящихся в зоне прямой видимости. Если количество спутников, находящихся в зоне прямой видимости, равно нулю, то информация об ошибках далее не обрабатывается. Если же количество спутников, находящихся в зоне прямой видимости, отлично от нуля, то информация о количестве и номерах спутников, находящихся в зоне прямой видимости, а также значения ошибок передаются на выход блока 2.

Выходные сигналы с блока 2 поступают на первые входы блока 3 оценки временного рассогласования часов МС и глобального времени GPS, на вторые входы которого поступает СКО (среднеквадратическое отклонение) псевдорасстояния для каждого сигнала от каждого спутника.

Блок 3 предназначен для формирования оценки временного рассогласования часов мобильной станции и глобального времени GPS. Оценка временного рассогласования строится на основании информации, поступающей на вход блока. А именно на основании информации о спутниках, находящихся в зоне прямой видимости, и СКО измерений псевдорасстояний для этих спутников. На выход блока 3 поступают значения ошибок и оценка временного рассогласования часов МС, вычисляемая следующим образом:

где

- оценка временного рассогласования часов МС,

ξ_k - ошибки в псевдорасстояниях спутников, находящихся в прямой видимости,

σ_k - СКО измерений псевдорасстояний спутников, находящихся в зоне прямой видимости.

Выходные сигналы с блока 3 поступают на входы блока 4 удаления временного неизвестного рассогласования часов МС.

Блок 4 предназначен для формирования истинных ошибок в измерениях псевдорасстояний. На входы блока 4 поступают ошибки измерений псевдорасстояний, сформированные ранее, и оценка временного рассогласования часов МС.

На выходе блок 4 формирует истинные значения ошибок, вычисляемые следующим образом:

Выходные сигналы с блока 4 поступают на первые входы блока 5 формирования базы данных многолучевых ошибок, на второй вход поступает сигнал о типе местности, в которой выполняется измерение, на третий вход - сигнал о координатах мобильной станции, на четвертый вход - отношения сигнал шум для сигналов спутников, на пятый вход - координаты спутников.

Блок 5 формирования базы данных многолучевых ошибок псевдорасстояний предназначен для формирования базы данных многолучевых ошибок псевдорасстояний в зависимости от типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для сигналов спутников.

База данных многолучевых ошибок псевдорасстояний в блоке 5 представляет набор матриц, каждая из которых соответствует различным типам местности, например открытая местность, городская местность, сельская местность.

Каждая ячейка данной базы данных характеризуется диапазоном значений угла возвышения спутника и отношения сигнал шум. Т.е. в ячейку k заносится ошибка i-го спутника, если угол возвышения спутника и отношение сигнал шум для сигнала спутника попадают в диапазоны α_i∈[α_k,α_k+1] и cn0_i∈[cn0_k,cn0_k+1], которыми характеризуется данная ячейка.

Таким образом, в блоке 5 распределяют и запоминают поступающие значения ошибок по различным ячейкам в соответствии со значением сигнал/шум и углом возвышения спутника, для которого эти ошибки получены.

Угол возвышения i-го спутника рассчитывается следующим образом:

Значения в базе данных многолучевых ошибок накапливаются до тех пор, пока минимальное количество данных в какой-либо ячейке не станет больше заранее заданного числа (например, 1000). Как только накопилось достаточное количество данных в какой-либо ячейке, то данные из этой ячейки поступают с выхода блока 5 на входы блока 6 формирования параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний.

Блок 6 формирования параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний (фиг.6) предназначен, например, для вычисления среднего значения и дисперсии для значений каждой ячейки, поступающих с выхода блока 5. Для каждой ячейки базы данных многолучевых ошибок псевдорасстояний блока 5 вычисляют среднее значение и дисперсию следующим образом:

где

ζ - значения многолучевых ошибок в ячейке (l, k) для заданного типа местности (например, для открытой местности),

N_l,k - количество значений многолучевых ошибок в ячейке (l, k) для заданного типа местности (например, для открытой местности).

Таким образом, значения матриц среднего значения для открытой местности и дисперсии, например, построчно поступают на входы блока 7 формирования непрерывной функции параметров многолучевых ошибок.

Блок 7 предназначен для формирования непрерывной функции параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний путем сглаживания полученного большого объема параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний от угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для заданного типа местности.

Для формирования непрерывной функции параметров многолучевых ошибок в блоке 7 формируют коэффициенты, с помощью которых осуществляют сглаживание сформированных параметров многолучевых ошибок псевдорасстояний в зависимости от угла возвышения спутника, отношения сигнал/шум и типа местности. Операцию сглаживания целесообразно выполнить для уменьшения полученного объема данных по каждому параметру до необходимого объема значений для построения непрерывной функции параметров многолучевых ошибок, т.к. использование множества полученных данных в дальнейшем потребует больших (нерациональных) аппаратных затрат.

Коэффициенты для сглаживания могут быть получены различными известными из литературы методами, например, как описано в книге Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы - М.: Лаборатория базовых знаний, 2000 г., раздел 2. Интерполяция и численное дифференцирование [6].

Значения коэффициентов зависят от метода, который применяется при сглаживании дискретных значений параметров многолучевых ошибок.

Рассмотрим подробнее один из методов получения коэффициентов для операции сглаживания на примере среднего значения для открытой местности. В качестве опорных точек возьмем середины интервалов. Таким образом, заданы средние значения многолучевой ошибки при дискретных значениях угла возвышения и отношения сигнал шум:

m _i,j =m(α _i , cn0 _j )

В качестве функциональной зависимости среднего значения от угла возвышения и отношения сигнал шум возьмем зависимость следующего вида:

Количество коэффициентов w_m1,m2 должно быть меньше количества ячеек в матрице. Коэффициенты w_m1,m2 могут быть найдены различными методами, например методом наименьших квадратов, описанным в [6].

Применяя данную процедуру для сформированных в блоке 6 матриц, на выходе блока 7 получают наборы коэффициентов для среднего значения и дисперсии для различных типов местности. Далее, используя выбранную функциональную зависимость и данные коэффициенты, можно получить значения параметров многолучевых ошибок с учетом угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для различных типов местности.

Таким образом, заявляемый способ позволяет сформировать данные о многолучевых ошибках псевдорасстояний, получить их статистическое описание, оценить и учесть параметры многолучевых ошибок в зависимости от типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум для принятого сигнала спутника, что приводит к существенному повышению точности оценки местоположения мобильной станции.

Claims

1. Способ оценки параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний для определения местоположения мобильной станции, заключающийся в том, что на мобильной станции принимают N сигналов локации, соответствующих N спутникам, по принятым сигналам локации измеряют псевдорасстояния от мобильной станции до каждого из N спутников, для каждого спутника определяют ошибку измерения псевдорасстояния, из ошибок измерения псевдорасстояний удаляют оценку неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции, формируют базу данных многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний в зависимости от угла возвышения спутника, при этом все возможные значения угла возвышения спутника разбивают на фиксированные дискретные интервалы, запоминают значения многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний с учетом угла возвышения спутника, значения ошибок измерений псевдорасстояний усредняют для каждого интервала угла возвышения, формируют средние значения, полученные средние значения сглаживают, формируя непрерывную функцию многолучевой ошибки измерения псевдорасстояний с учетом угла возвышения спутника, отличающийся тем, что по принятым сигналам локации дополнительно оценивают отношение сигнал/шум и среднеквадратическое отклонение псевдорасстояния для каждого сигнала от каждого из N спутников, ошибку измерения псевдорасстояния для каждого спутника определяют с точностью до временного рассогласования часов мобильной станции как разность между измеренным псевдорасстоянием и расстоянием до истинного местоположения мобильной станции, для оценки неизвестного временного рассогласования часов мобильной станции используют измерения псевдорасстояний и среднеквадратические отклонения измерений псевдорасстояний М спутников, находящихся в зоне прямой видимости, где М принимает значения от 1 до N, при формировании базы данных многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний учитывают тип местности и отношение сигнал/шум для сигналов спутников, при этом все возможные значения отношения сигнал/шум разбивают на фиксированные дискретные интервалы, значения многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний с учетом типа местности и отношения сигнал/шум спутников запоминают, по занесенным в базу данных значения многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний оценивают параметры многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний с учетом каждого типа местности, угла возвышения спутника и отношения сигнал/шум на каждом дискретном интервале, непрерывную функцию параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний формируют, сглаживая полученные параметры многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний с учетом типа местности и отношения сигнал/шум, причем в качестве параметров многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний используют среднее значение и дисперсию многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценивают параметры многолучевых ошибок измерений псевдорасстояний в соответствии с гауссовским законом распределения.