TWI453449B - 協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法 - Google Patents

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Description

協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法
本揭露係關於一種協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法。
衛星定位系統(Global Position System,GPS)係利用衛星基本三角定位原理推展而來，衛星定位系統接收裝置由衛星無線電訊號傳輸的時間來量測距離，由每顆衛星的所在位置，測量每顆衛星至接受器間距離，即可算出接受器所在位置之三維空間座標值。有了三顆衛星定位，則可以定出兩個可能的位置範圍，並需要第四顆衛星來決定時間的變數，因此需要至少四顆衛星才能定出一個精確的位置區域。藉由第四顆衛星與前三個衛星在時間誤差內所聯集出之區域，遞迴疊代以縮小範圍，求出一組符合預期條件的使用者位置。
定位誤差主要來自三個部分，第一部分是衛星傳送端造成的軌道誤差，軌道誤差來自實際衛星位置與地面站預期不同所造成的偏差。而鐘差誤差，即便現在用石英鐘校時，仍然存在衛星間時鐘的偏差。選擇性誤差(SA效應)則在2000年後，美國國防部取消亂碼干擾後停止。第二部分是傳送接收端頻道的誤差，來自電離層延遲和對流層延遲等水氣和游離電子的干擾。第三部分是接收端環境造成，多路徑效應及本身接收器到晶片的內部雜訊和接收端 的時鐘誤差等影響，以上誤差都會造成傳送路徑改變，增加了不定的誤差量。
差分全球定位系統(Differential Global Positioning System,DGPS)是用來改善全球定位系統誤差的方法，其原理為利用位於已知確切座標且與接收端相距不遠之基準站來當作校正者。此校正者和接收端同步接收全球定位系統衛星訊號。由校正者本身已知的確切經緯度資料計算出校正量後，並把將此校正量傳送給一般使用者。
傳統定位校正技術多採用差分全球定位系統校正技術，此系統需架設觀測基站以取得定位校正量並發送相關校正資訊。此設觀測基站的數量可以提高精準度，但也相對提高佈建成本。差分全球定位系統透過廣播每顆衛星的虛擬距離校正量(虛擬距離差)，來提高定位的精準度。虛擬距離差的來源主要為大氣因素誤差(電離層、對流層)、星曆誤差、多路徑誤差等。目前的差分全球定位系統可以解決大部分的大氣誤差及星曆誤差，但無法解決多路徑干擾誤差(multipath effects difference)。在都市複雜環境下，不同地點針對不同衛星所受到的多路徑干擾也不相同，多路徑干擾誤差例如在都市中建築物或車輛對定位路徑所造成的干擾形成的定位誤差，傳統差分全球定位系統提供的衛星虛擬距離校正量無法提供多路徑干擾誤差的校正量。
本揭露的實施例可提供一種協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法。
在一實施例中，本揭露係關於一種協同式定位校正系統，此系統包含至少一參考站與至少一用戶端。參考站佈建於一區域內，利用一已知精準位置與至少一衛星傳送的一衛星訊號，計算出參考站與衛星之間的一虛擬距離差，並將包含虛擬距離差的一區域校正資料廣播給用戶端，用戶端同樣接收此衛星的衛星訊號，計算出與衛星之間的一虛擬距離，根據虛擬距離差校正該用戶端虛擬距離，輸出一校正後全球定位系統位置。
在另一實施例中，本揭露係關於一種協同式定位校正方法，此方法包含接受至少一衛星訊號，與一精準位置計算出至少一參考站與該衛星之間的至少一虛擬距離差；廣播給至少一用戶端；計算用戶端與該衛星之間的一虛擬距離，並依據虛擬距離差校正虛擬距離，輸出一校正後全球定位系統位置。
在又一實施例中，本揭露係關於一種參考站佈建方法，此方法包含收集一區域內至少一用戶端的一回報資料；彙整此區域內每一顆衛星的不同時間及信號 噪音比值分布圖；以及分析並決定此區域內一參考站的一佈建位置。
茲配合下列圖示、實施例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本揭露之其他優點詳述於後。
本揭露實施例提出一種協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法，利用分析區域內多路徑干擾的分佈，所佈建的參考站可成為即時的差分全球定位系統校正，來取得的定位校正值可反應真實的在地狀況，透過彙整後，提供更精準的虛擬距離校正值，可解決傳統差分全球定位系統在如都市的複雜環境下所產生的多路徑干擾誤差。
第一圖是根據本揭露的一實施例之協同式定位校正系統示意圖。如第一圖所示，本揭露實施例之協同式定位校正系統包含至少一參考站110與至少一用戶端120。在一實施例中參考站110有多個佈建於都市中，且參考站110已知本身的精確位置130，當用戶端120位於都市複雜環境中與衛星140進行定位時，於用戶端120附近之參考站110亦會與衛星140進行定位，且由於參考站110與用戶端120都處於相似的環境中進行定位，因此參考站110可將環境造成的多路徑干擾誤差的校正資料傳送給用戶端120，讓用戶端120進行定位校正。參考站110還包 括一全球定位系統(GPS)模組111、一衛星虛擬距離誤差計算模組112、以及一通訊模組113。用戶端120還包括一全球定位系統(GPS)模組121、一定位誤差計算模組122、以及一通訊模組123。在一實施例中參考站110可以是一伺服器，在另一實施例中參考站110可以是一與用戶端120近似的硬體裝置，以降低參考站110的成本。在一實施例中用戶端可以是一裝設於車輛中的車機端。
在本揭露實施例的參考站110中，衛星虛擬距離誤差計算模組112是利用已知精準位置130以及接收由一全球定位系統模組111傳送一衛星140的一衛星訊號140a，計算出參考站110的位置與衛星140的位置之虛擬距離差。通訊模組113將包含此虛擬距離差的一區域校正資料112a廣播給至少一用戶端120。
在本揭露實施例的用戶端120中，定位誤差計算模組122接收通訊模組123傳送之區域校正資料112a，同時也接收由一全球定位系統模組121傳送衛星140的一衛星訊號140a，並比對衛星訊號140a中的一信號噪音比值(Signal to Noise Ration,SNR)與接收於參考站110的區域校正資料112a中的一信號噪音比值，計算出一校正值。定位誤差計算模組122依據用戶端120與衛星140的虛擬距離減去此校正值，得到一虛擬距離校正後資料，並由用戶端120的全球定位系統模組121輸出一校正後位置150。其中，區 域校正資料112a包括至少一衛星編號、該衛星之虛擬距離差、以及該衛星信號噪音比值(SNR)。
第二圖是根據本揭露一實施例之協同式定位校正方法流程圖。請一併參考第一圖及第二圖所示，本揭露實施例之定位校正方法包含步驟210，參考站110會接受衛星140發送之衛星訊號140a與參考站已知的精準位置130；接著步驟220，參考站110會計算出參考站位置與衛星間的一虛擬距離差；然後步驟230，參考站110廣播區域校正資料給用戶端120；步驟240用戶端120會根據此區域校正資料計算出用戶端位置與衛星位置間的一校正後的虛擬距離；最後步驟250，用戶端120輸出一校正後全球定位系統位置。
在一實施例中用戶端120可能接收到的多個參考站110所廣播的區域校正資料，且各有差異，因此在步驟240中，用戶端120根據本身接收到的衛星信號噪音比值(SNR)與所有接收到參考站110對於同一衛星的信號噪音比值(SNR)比較的結果，會給予權重(Weight)的分配，依據此權重及區域校正資料，計算出衛星的虛擬距離校正值，藉以獲得一校正後的虛擬距離。而參考站110的權重分配將說明於後。
第三圖為本揭露之一實施例示意圖，說明本揭露如何 計算虛擬距離差與校正後之虛擬距離。如第三圖所示，假設有三顆S1、S2、S3衛星的位置與參考的位置之間，經參考站的全球定位系統310計算出二者間的虛擬距離分別為ds1’、ds2’、ds3’(如虛線所示)，亦即各衛星位置與全球定位系統310之間經解算得到二者位置之間的距離。而S1、S2、S3衛星的位置與已知精準位置320之間的距離分別為ds1、ds2、ds3(如實線所示)，亦即衛星位置與已知精準位置之間的距離。因此，參考站會計算與所有衛星之間的虛擬距離差(△S)的算式如下：虛擬距離差(△S)=真實距離(ds)-虛擬距離(ds’)=大氣誤差+星曆誤差+多路徑誤差
例如參考站與S1衛星之間的虛擬距離差△S1=ds1-ds1’；參考站與S2衛星之間的虛擬距離差△S2=ds2-ds2’；參考站與S2衛星之間的虛擬距離差△S2=ds2-ds2’。
參考站計算出與每一衛星之間的虛擬距離差(△S)後廣播給用戶端，用戶端將所有參考站的虛擬距離差(△S)與信號噪音比值(SNR)經計算產生虛擬距離校正值(CorValue)，而用戶端因位於參考站附近，因此用戶端與衛星位置之間的虛擬位置會與參考站相近，故而用戶端計算校正後虛擬距離的算式如下：校正後虛擬距離=虛擬距離+虛擬距離校正值=虛擬距離+(大氣/星曆誤差+多路徑 誤差校正值)
其中，此已知精準位置320為經事先精確量測參考站本身所在的一已知的位置。
第四A圖與第四B圖為範例示意圖，說明如何以校正後虛擬距離計算用戶端位置的方式。如第四A圖所示，假設衛星S1與三個參考站V1、V2、V3之間的虛擬距離差與信號噪音比值(SNR)分別為(5m,15)、(4m,20)、(2m,30)，而用戶端Vc的信號噪音比值為25。其中每一參考站的虛擬距離差(Diff)可由上述之算式所算出。用戶端Vc會根據本身的信號噪音比值(SNR)與所有參考站的信號噪音比值(SNR)進行比較，而給予各參考站權重(Weight)的分配，此權重的計算式如下：
其中，Weighti.j =參考站Vi 接收衛星Sj 的權重
Diffi.j =參考站Vi 接收衛星Sj 的虛擬距離差
SNRi.j =參考站Vi 接收衛星Sj 的信號噪音比值
SNRcur.j =用戶端Vc接收衛星Sj 的信號噪音比值
i=1~m,m為整數
計算出各參考站的權重時，用戶端Vc就可以依據下 列計算式算出虛擬距離校正值：
其中，CorValuecur.j =用戶端Vc的虛擬距離校正值
此虛擬距離校正值包含一大氣誤差、一星曆誤差、以及多路徑誤差修正量。
在一實施例中，例如第四A圖及第四B圖，用戶端Vc的虛擬距離校正值(CorValue)經計算後的結果為3.4m。承上述，如第四B圖所示，假設用戶端Vc虛擬距離(pseudorange)=10m，其校正後虛擬距離(AfterCor)=10-3.4=6.6m。
第五圖是根據本揭露的又一實施例，說明參考站的佈健方法。第六圖是說明參考站布建方法的一範例示意圖。由於本揭露一實施例中參考站是佈建在都市複雜環境中，因此參考站的佈建方法請一併參閱第五圖及第六圖所示，首先收集一區域內至少一用戶端的一回報資料，如步驟510所示，其中此回報資料包括此用戶端位置、一時間、一衛星編號、一信號噪音比值。如第六圖，標號610、620(虛線)所分別標示出在一區域內的第1、2號衛星的信號噪音比值的分布圖，標號630~660分別為一參考站可能佈建的位置。接著彙整此區域內每 一顆衛星的不同時間及信號噪音比值分布圖，如步驟520所示。分析並決定此區域內一參考站的一佈建位置，如步驟530所示。如第六圖，分析一回報資料及彙整第1、2號衛星的不同時間與信號噪音比值的分布圖，決定出此區域內一參照站佈建於標號630的位置。
綜合上述，本揭露之一種協同式定位校正系統與方法及參考站佈建方法，可以利用衛星訊號的信號噪音比值來判斷多路徑干擾的程度，並透過彙整佈建的參考站回報的虛擬距離差及信號噪音比值，針對每顆衛星過濾出共通的大氣/星曆誤差及多路徑誤差調整值，並透過廣播區域校正資料至附近的移動用戶端，此用戶端利用全球定位系統收到的衛星信號噪音比值計算出合適的多路徑誤差校正量，配合共通的大氣/星曆誤差校正量，校正所量測的虛擬距離。
以上所述者皆僅為本揭露實施例，不能依此限定本揭露實施之範圍。大凡本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍。
110‧‧‧參考站
111‧‧‧全球定位系統模組
112‧‧‧衛星虛擬距離誤差計算模組
113‧‧‧通訊模組
112a‧‧‧區域校正資料
120‧‧‧用戶端
121‧‧‧全球定位系統模組
122‧‧‧定位誤差計算模組
123‧‧‧通訊模組
130‧‧‧已知精準位置
140‧‧‧衛星
140a‧‧‧衛星訊號
150‧‧‧校正後全球定位系統位置
210‧‧‧接受一衛星訊號與一精準位置
220‧‧‧計算出一參考站位置與一衛星位置的一虛擬距離差
230‧‧‧廣播一區域校正資料給至少一用戶端
240‧‧‧根據此區域校正資料計算出此用戶端與此衛星位置的一虛擬距離
250‧‧‧輸出一校正後全球定位系統位置
310‧‧‧全球定位系統
320‧‧‧已知精準位置
510‧‧‧收集一區域內至少一用戶端的一回報資料
520‧‧‧彙整此區域內每一顆衛星的不同時間 及信號噪音比值分布圖
530‧‧‧分析並決定此區域內一參考站的一佈建位置
610‧‧‧第1號衛星的信號噪音比值的分布圖
620‧‧‧第2號衛星的信號噪音比值的分布圖
630~660‧‧‧參考站可能佈建的位置
S1、S2、S3‧‧‧衛星
V1、V2、V3‧‧‧參考站
Vc‧‧‧用戶端
第一圖是根據本揭露的一實施例之協同式定位校正系統示意圖。
第二圖是根據本揭露一實施例之協同式定位校正方法流程圖。
第三圖為本揭露之一實施例示意圖，說明本揭露明如何計算虛擬距離差與校正後之虛擬距離。
第四A圖與第四B圖為範例示意圖，說明如何以校正後虛擬距離計算用戶端位置的方式。
第五圖是根據本揭露的又一實施例，說明一種參考站的佈建方法。
第六圖是說明參考站布建方法的一範例示意圖。
110‧‧‧參考站
111‧‧‧全球定位系統模組
112‧‧‧衛星虛擬距離誤差計算模組
113‧‧‧通訊模組
112a‧‧‧區域校正資料
120‧‧‧用戶端
121‧‧‧全球定位系統模組
122‧‧‧定位誤差計算模組
123‧‧‧通訊模組
130‧‧‧已知精準位置
140‧‧‧衛星
140a‧‧‧衛星訊號
150‧‧‧校正後全球定位系統位置

Claims (23)

  1. 一種協同式定位校正系統，該系統包含：至少一參考站，佈建於一區域內，接收至少一衛星傳送的一衛星訊號，與一已知精準位置計算出與該衛星之間的一虛擬距離差，並將包含該虛擬距離差的一區域校正資料廣播出去；以及至少一用戶端，接收該衛星傳送的一衛星訊號，計算出與該衛星之間的一虛擬距離，並根據該虛擬距離差校正該用戶端虛擬距離輸出一校正後位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該衛星為多個時，該參考站接收該些衛星傳送的該些衛星訊號，計算出多個該些虛擬距離差，皆一併包含於該區域校正資料中廣播出去；以及該用戶端接收該些衛星傳送的該些衛星訊號，計算出與該些衛星之間的多個該些虛擬距離，並依據該些虛擬距離差校正與每一該虛擬距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該參考站為多個時，該參考站所廣播之該區域校正資料中更包括一信號噪音比值(SNR)；以及該用戶端接收每一該參考站之該區域校正資料，並依據該信號噪音比值(SNR)計算出每一該參考站之權重(Weight)，再依每一該參考站之該些權重及該些虛擬距 離差計算一虛擬距離校正值，該用戶端依據該虛擬距離校正值校正該虛擬距離。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該參考站還包括一全球定位系統模組、一衛星虛擬距離誤差計算模組、以及一通訊模組。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之協同式定位校正系統，其中該衛星虛擬距離誤差計算模組利用該已知精準位置以及接收由該全球定位系統模組傳送一衛星的一衛星訊號，計算出該參考站的位置與該衛星的位置之一虛擬距離差。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之協同式定位校正系統，其中該通訊模組將包含此虛擬距離差的一區域校正資料廣播給該至少一用戶端。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之協同式定位校正系統，其中該用戶端還包括一全球定位系統模組、一定位誤差計算模組、以及一通訊模組。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之協同式定位校正系統，其中該定位誤差計算模組接收通訊模組傳送之該區域校正資料，同時也接收由該全球定位系統模組傳送該衛星的衛星訊號，依據該衛星信號噪音比值與該些參考站對於同一衛星的信號噪音比值比較的結果，而給予權重(Weight)的分配，依據此權重及區域校正資料，計算出該衛星的虛擬距離校正值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之協同式定位校正系統， 其中該定位誤差計算模組依據該用戶端與該衛星的該虛擬距離減去該虛擬距離校正值，得到一虛擬距離校正資料。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之協同式定位校正系統，其中該全球定位系統模組輸出該校正後位置。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該用戶端的該通訊模組為一內建或外建的通訊模組。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該參考站是一伺服器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之協同式定位校正系統，其中該用戶端是一車機端。
  14. 一種協同式定位校正方法，該方法包含：接受至少一衛星之衛星訊號，與一已知精準位置計算出至少一參考站與該衛星之間的至少一虛擬距離差；廣播包含該虛擬距離差之至少一區域校正資料給至少一用戶端；以及計算該用戶端與該衛星之間的一虛擬距離，並依據該虛擬距離差校正該虛擬距離，輸出一校正後位置。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該區域校正資料包括至少一衛星編號、該衛星之虛擬距離差、以及該衛星信號噪音比(SNR)值。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該虛擬距離差是該參考站與該衛星之間的一真實 距離減去一虛擬距離。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該虛擬距離差是一大氣誤差加上一星曆誤差加上一多路徑誤差。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該虛擬距離為該用戶端與該衛星之間，經一全球定位系統解算得二者位置之間的距離。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之協同式定位校正方法，其中該真實距離是該參考站之一已知精準位置與該衛星之間的距離。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該參考站是一伺服器。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之協同式定位校正方法，其中該用戶端是一車機端。
  22. 一種參考站佈健方法，該方法包含：收集一區域內至少一用戶端的一回報資料；彙整此區域內每一顆衛星的不同時間及信號噪音比值分布圖；以及分析並決定此區域內一參考站的一佈建位置。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之參考站佈健方法，其中該回報資料包括該用戶端位置、一時間、一衛星編號、以及一信號噪音比值。
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