TWI682188B - 衛星定位模組及其定位方法 - Google Patents

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TWI682188B TW107145518A TW107145518A TWI682188B TW I682188 B TWI682188 B TW I682188B TW 107145518 A TW107145518 A TW 107145518A TW 107145518 A TW107145518 A TW 107145518A TW I682188 B TWI682188 B TW I682188B
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Abstract

一種衛星定位模組，係包括：一接收電路，用以接收來自複數衛星之複數衛星訊號；以及一運算處理器，係連接該接收電路，其經配置以執行：依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差；依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。

Description

衛星定位模組及其定位方法
本揭露係有關一種定位系統，尤指一種衛星定位模組及其定位方法。
近年來隨著自駕車技術快速發展，高精度之定位需求也與日俱增，然而，因衛星和地面接收器之間存在衛星軌道誤差、時鐘誤差、電離層誤差、對流層誤差及多路徑誤差(multipath error)等干擾因素，使得衛星定位精度往往受到影響，其中，衛星軌道誤差、時鐘誤差、電離層誤差、對流層等共性誤差可藉由差分定位系統之校正技術而排除，然而，因參考站和移動站位在不同地點，所受到的多路徑影響並不相同，使得多路徑效應造成之定位誤差無法藉由差分定位方式獲得有效改善。再者，因市區裡分佈諸多建築物、樹木等阻礙物對衛星訊號產生遮蔽效應(shadowing effect)，不但容易造成當車輛行駛在市區期間，根據載波相位測量值的差分運算過程發生訊號中斷(signal outage)，並且，在訊號完全恢復而重新取得精確的周波固定解(fixed)之前存在浮動解(float)的時間偏長， 造成衛星訊號品質變差及定位延遲之問題。
據此，考量在抑制多路徑或遮蔽效應所造成的誤差問題，業界一般之做法係在接收器端進行定位解算前對衛星訊號品質預先進行篩選，以獲得一定程度之改善，使得周波固定解之比率提高，進而改善衛星定位精度及速度，其中，目前常用的方式包括對仰角(Elevation angle，簡稱El)或對訊雜比(Signal-to-noise ratio，簡稱SNR)設定一篩選基準值來過濾衛星，其中，針對仰角的篩選方式是將低於一截止仰角(例如15°以下)的衛星剔除，使之不參與定位解算，詳言之，由於仰角較低的衛星通常較容易受到多路徑效應影響，故此方法對改善多路徑誤差能產生一定的效果。另一方面，針對訊雜比之篩選方式則是將低訊雜比(例如35dB以下)的衛星剔除或者在定位解算中賦予較低之權重，該種方式同樣也能用於抑制多路徑效應。
雖如上述，可透過對仰角或訊雜比設定基準以篩選出訊號品質較佳之衛星參與定位解算以提高車輛的定位精度，然而，因目前技術所採用的篩選方式是以固定仰角或固定訊雜比作為篩選基準，但隨車輛之移動而環境不斷改變的情況下，此種方式極缺乏調整彈性，無法即時反映環境的變化而對衛星訊號作適當調整，導致當車輛行駛在某些障礙物較密集 之區域 (例如市區)，可能因過於寬鬆的篩選條件而無法有效剃除訊號品質不佳之衛星，進而影響定位效能，相對地，當車輛行駛在空曠之區域時 (例如郊區)，卻可能因為過於嚴格的篩選條件而剃除了訊號品質尚佳之衛星，使得參與定位解算的衛星數量過少，犧牲了原本應有的定位精度。此外，如無法隨環境改變而提供車輛快速且精確之定位，將可能在未來的自動車應用上造成安全問題。
因此，如何因應環境改變而適時地調整衛星之篩選條件，以達到提高定位妥善率(Fixed ratio)、改善定位精度，甚至使定位精度達到車道等級，實已成目前亟欲解決的課題。
本揭露之一實施例提供一種衛星定位模組，係包括：一接收電路，係用以接收來自複數衛星之複數衛星訊號；以及一運算處理器，係連接該接收電路，其經配置以執行：依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差；依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
本揭露之另一實施例提供一種衛星定位方法，係包括：接收來自複數衛星之衛星訊號；依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差；依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
由上可知，本揭露之衛星定位模組及其定位方法係透過將仰角及訊雜比標準差分別列入仰角及訊雜比篩選條件之計算，以將車輛所在之環境因素列入衛星篩選之標準中，藉由選擇出最符合當下環境且訊號品質佳的衛星進行定位演算法以達到快速且高品質之定位功效，據以解決現有技術無法即時反映環境變化而影響車輛定位之問題。
以下藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本揭露可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本揭露所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本揭露所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本揭露可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本揭露可實施之範疇。
請參閱第1圖， 為本揭露之衛星定位模組1的方塊示意圖。
如第1圖所示，本揭露的示範性實施例的該衛星定位模組1包括： 一接收電路10及一運算處理器11，該接收電路10用以接收來自複數衛星20之複數衛星訊號，該運算處理器11係連接該接收電路，其中，該運算處理器11係經配置以執行下列步驟，包括：依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差，依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值，依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法，以及根據該定位演算法進行定位以取得位置資訊(如經緯度資料或XYZ軸資料)。另外，本揭露的衛星定位模組1係可應用於如車輛之載具2上。
請同時參考如下表1，其是用於說明藉由本揭露之衛星定位模組1進行衛星選擇之一示範性實施例。
No. Eln SNRn Eln/Elmax SNRn/SNRmax fn Var_Eln Var_SNRn
1 30 37 0.5 0.880952381 1.380952 225 0.020408
2 14 25 0.233333 0.595238095 0.828571 961 147.449
3 50 38 0.833333 0.904761905 1.738095 25 0.734694
4 60 41 1 0.976190476 1.97619 225 14.87755
5 55 40 0.916667 0.952380952 1.869048 100 8.163265
6 58 42 0.966667 1 1.966667 169 23.59184
7 44 33 0.733333 0.785714286 1.519048 1 17.16327
8 18 29 0.3 0.69047619 0.990476 729 66.30612
表1
以表1為例，衛星定位模組1之接收電路10一開始共接收到八顆衛星20(No. 1~No. 8)之衛星訊號，並將該複數衛星訊號傳送至運算處理器11，其中，第n顆衛星之衛星訊號至少包括該顆衛星之仰角El n及訊雜比SNR n等資料，例如，在表1中，第3顆衛星之仰角El 3為50度，第5顆衛星之訊雜比SNR 5為40dB。
該運算處理器11在接收到八顆衛星的衛星訊號後，隨即計算出一對應於各該衛星訊號之品質指標fn，該品質指標fn用於評估各該衛星之仰角及訊雜比之品質。具體而言，首先，該運算處理器11先從八顆衛星裡分別找出仰角最大(以El max表示)及訊雜比最大(以SNR max表示)的衛星以作為品質評估基準，表1中，第4顆衛星之仰角最大，故El max等於60，第6顆衛星之訊雜比最大，故SNR max為42dB。
該運算處理器11再分別將其餘衛星各自的仰角El n、訊雜比SNR n分別和El max、SNR max比較，以計算出各顆衛星之仰角品質因子 El n/El max、訊雜比品質因子 SNR n /SNR max以及以用於綜合評估各該衛星訊號之品質指標fn如下：
Figure 02_image001
根據各顆衛星之品質指標fn計算結果，該運算處理器11找出第2顆衛星的fn值最低，故以El 2作為仰角初始遮罩值El ini，並以SNR 2作為訊雜比初始遮罩值SNR ini，據此，仰角初始遮罩值El ini為14，訊雜比初始遮罩值SNR ini為25。
接著，該運算處理器11藉由下式分別計算出用於篩選衛星之仰角標準差El SD及訊雜比標準差SNR SD，其中Mean(El)與Mean(SNR)分別代表該八顆衛星之仰角、訊雜比之平均值(以表1為例，Mean(El)為41.125，Mean(SNR)為35.625)：
Figure 02_image003
根據計算結果，仰角標準差El SD為17.4463，訊雜比標準差SNR SD為5.89816，分別代表該八顆衛星之仰角、訊雜比之變動程度，本揭露中，El SD、SNR SD之大小視隨車輛行駛環境變化而改變。
接著，該運算處理器11將仰角初始遮罩值El ini加上該仰角標準差El SD以計算出一仰角遮罩值El mask，同樣地，也將訊雜比初始遮罩值SNR ini加上該訊雜比標準差SNR SD以計算出一訊雜比遮罩值SNR mask，以表1為例，經計算後，該仰角遮罩值El mask為31.4463度，訊雜比遮罩值SNR mask為30.89816dB。如上所述，由於仰角或訊雜比之標準差變化係隨環境不同而變動，故本揭露以該仰角遮罩值El mask及/或訊雜比遮罩值SNR mask對衛星進行篩選，並以篩選後之衛星訊號所載的資料進行定位演算法。
進一步而言，本揭露之一實施例可單獨根據仰角遮罩值El mask篩選出仰角較高之衛星以參與定位演算法，於另一實施例中，也可單獨根據訊雜比遮罩值SNR mask以篩選出訊雜比較高之衛星以進行定位，此外，於本揭露之其他實施例中，更可同時結合該仰角遮罩值El mask及該訊雜比遮罩值SNR mask以篩選出仰角及訊雜比皆佳之衛星以進行定位。舉例而言，如同時以El mask為31.4463度且訊雜比遮罩值SNR mask為30.89816dB作為篩選標準，則第2、8顆衛星皆會被剃除，最後，該運算處理器11是採用第1、3、4、5、6及7顆衛星訊號進行後續之定位演算法。
另一方面，當車輛所在環境之遮蔽或多路徑效應影響變大，以致衛星訊號之仰角標準差El SD及訊雜比標準差SNR SD亦隨之變大，最後因造成仰角遮罩值El mask、訊雜比遮罩值SNR mask過大，使得篩選出的衛星數量已不能滿足定位演算法之可執行條件時，例如執行定位演算法所需之衛星最少數量時，例如，當車輛行駛至建築物較高且較密集之市區而使衛星訊號強度變弱且波動變大時，由於為確保車輛仍能保有基本的定位功能，在此情況下，該運算處理器11將暫時放寬篩選標準而使參與定位演算法之衛星數量可達到最少之需求數量以滿足定位演算法之可執行條件，舉例而言，在全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）中，接收端至少需要根據四顆衛星訊號才能進行定位演算法，然而，當衛星數量不足時即無法解算出所有定位參數(包含三維空間座標、時間參數)，以致無法藉由定位演算法取得車輛的位置資訊，如經緯度資料或XYZ軸資料，因此，該運算處理器11將暫時放寬仰角遮罩值El mask、訊雜比遮罩值SNR mask以滿足定位演算法之可執行條件，例如，暫時不將仰角標準差El SD、訊雜比標準差SNR SD列入仰角遮罩值El mask、訊雜比遮罩值SNR mask之計算，直接採用仰角初始遮罩值El ini、訊雜比初始遮罩值SNR ini作為仰角遮罩值El mask、訊雜比遮罩值SNR mask，以暫時提高參與定位之衛星數量，另一方面，也可分別對仰角標準差El SD、訊雜比標準差SNR SD設置一上限值，當該運算處理器11判斷出El SD、SNR SD超過各自之上限值後，即改以初始遮罩值El ini、SNR ini分別作為 El mask、SNR mask篩選衛星，該運算處理器11可依上述各種方式放寬衛星篩選標準以滿足 定位演算法之可執行條件(例如需至少4顆衛星才能進行車輛定位)，直到車輛行駛到其他環境而使衛星訊號之仰角標準差El SD、訊雜比標準差SNR SD再度變小，再重新將仰角標準差El SD、訊雜比標準差SNR SD列入仰角遮罩值El mask、訊雜比遮罩值SNR mask之計算以恢復原本之篩選方式，然而，因本揭露之衛星定位模組1可適用在於各種不同的全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS)中，例如：俄國之格羅納斯系統(GLONASS System)、歐盟之伽利略系統 (Galileo System)或中國之北斗系統(BeiDou System)或由上述各系統進一步延伸之定位系統，故上述之示範性實施例是以4顆衛星作為例示說明，隨定位系統改變而定位所需之衛星數量改變時，例如最少衛星數量為5顆以上，亦能適用本揭露之該衛星定位模組1，故本揭露並不以上述實施例為限。
請參閱第2及第3圖，其中，第2圖是以現有技術之定位方法所測得之定位軌跡，第3圖係對應於第2圖之定位軌跡的定位標準差。
如第2及第3圖所示，是以目前技術一般的設定參數，即：仰角遮罩值固定為15度，且訊雜比遮罩值固定為35dB，並採用即時動態定位技術(Real Time Kinematic，簡稱RTK)測試車輛往返地下道、高速公路及市區一趟(對應於第2圖從右到左側，再從左折返至右側之全部移動軌跡)之定位軌跡及定位標準差，如第2 圖所示，在統計區間內，可看出車輛行駛出地下道後有一段時間的定位訊號狀態為float, 經一段時間後才轉為fixed (i.e. 收到精確之周波N值)，目前技術中，需9-12秒才能從float變為fixed，此圖之x軸為經度、y軸為緯度，經度、緯度共同構成之軌跡即為車輛當下的位置，在車輛來回開一趟的整個統計區間內，fixed時間佔29%、float時間佔62%，同時，如第3圖所示，位置標準差最大可達27.8m，平均值為0.85m。
請參閱第4及第5圖，其中，第4圖是應用本揭露之衛星定位模組1所測得之定位軌跡，第5圖係對應於第4圖之定位軌跡的定位標準差。
如第4及第5圖所示，為比較在同一時間、同一環境下同樣採用RTK定位之結果，第4及第5圖係將本揭露之定位模組1應用於上述第2及第3圖測試之原始數據(raw data)，如第4圖所示，於應用本揭露之衛星定位模組1後，fixed所佔時間的比率提升至68%、float比率減少為23%，其中，fixed比率之提升代表解到周波N值的機會提高，跳到float的機會減小，據此，可明確看出本揭露之定位技術可因應環境的變化而篩選出當下訊號品質較佳之衛星進行定位，故因定位訊號佳的時間變長，並且，從第5圖中也可看出位置標準差相較於第3圖更小，最大只有14.6m，平均為0.25m。
應注意的是，本揭露不僅適用於上述例示說明之RTK相對定位法，亦可適用於精密單點定位(precise point positioning，PPP)之單點定位或其他定位技術，其中，當本揭露結合RTK、PPP定位技術時可進一步提高定位精度以達到公分等級。
另請參閱第6圖，係本揭露透過前述之衛星定位模組1而實施之衛星定位方法，包括：藉由該接收電路10接收來自複數衛星20之衛星訊號(步驟S61)，再以該運算處理器11依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差El SD(步驟S62)，接著，再依據該仰角標準差El SD執行運算以取得一仰角遮罩值El mask(步驟S63)，然後，依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法(步驟S64)，最後，藉由該定位演算法進行定位以取得一車輛的位置資訊(步驟S65)。
綜上所述，本揭露之衛星定位模組及其定位方法係透過將仰角及訊雜比標準差分別列入仰角及訊雜比篩選條件之計算，以將車輛所在之環境因素列入衛星篩選之標準中，藉由選擇出最符合當下環境且訊號品質佳的衛星以進行定位演算法以達到快速且高品質之定位功效，據以解決現有技術無法即時反映環境變化而影響車輛定位之問題。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧定位模組
2‧‧‧載具
10‧‧‧接收電路
11‧‧‧運算處理器
20‧‧‧衛星
S61~S65‧‧‧步驟
第1圖係本揭露之衛星定位模組之方塊示意圖；
第2圖係以現有技術之定位方法所測得之定位軌跡；
第3圖係對應於第2圖之定位軌跡之位置標準差；
第4圖係應用本揭露之衛星定位模組所測得之定位軌跡；
第5圖係對應於第4圖之定位軌跡之位置標準差；以及
第6圖係根據本揭露之衛星定位方法之流程圖。
S61~S65‧‧‧步驟

Claims (18)

  1. 一種衛星定位模組，係包括：一接收電路，係用以接收來自複數衛星之複數衛星訊號；以及一運算處理器，係連接該接收電路，其經配置以執行：依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差；依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器依據該仰角標準差執行運算以取得該仰角遮罩值之步驟更包括：依據對應於各該衛星之一品質指標選擇一仰角初始遮罩值，並以該仰角初始遮罩值及該仰角標準差之和作為該仰角遮罩值。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器更進一步判斷依據該仰角遮罩值選擇出來之衛星數量是否滿足定位演算法之可執行條件，在被選擇的衛星之數量滿足定位演算法之可執行條件時，以該仰角遮罩值選擇衛星，在被選擇的衛星之數量不滿足定位演算法之可執行條件時，以該仰角初始遮罩值選擇衛星。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置進一步執行依據一上限值對該仰角標準差執行運算，並且當該仰角標準差超過該上限值時，依據該仰角初始遮罩值選擇衛星。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置更執行： 依據該複數衛星訊號運算以取得一訊雜比標準差；依據該訊雜比標準差運算以取得一訊雜比遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值且訊雜比大於該訊雜比遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置以依據一對應於各該衛星之品質指標選擇一訊雜比初始遮罩值，並以該訊雜比初始遮罩值及該訊雜比標準差之和作為該訊雜比遮罩值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置更進一步執行判斷該訊雜比遮罩值選擇出來之衛星的數量是否滿足定位演算法之可執行條件，在被選擇的衛星的數量滿足定位演算法之可執行條件時，以該訊雜比遮罩值選擇衛星，在被選擇的衛星的數量不滿足定位演算法之可執行條件時，以該訊雜比初始遮罩值選擇衛星。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置進一步依據一上限值對該訊雜比標準差執行運算，當該訊雜比標準差超過該上限值時，以該訊雜比初始遮罩值選擇衛星。
  9. 如申請專利範圍第2或6項所述之衛星定位模組，其中，該運算處理器經配置以計算各該衛星之仰角品質因子與訊雜比品質因子之和以作為各衛星之品質指標，其中，該仰角品質因子係各該衛星之仰角相對於該複數衛星最大仰角之比值，並且該訊雜比品質因子係各該衛星之訊雜比相對於該複數衛星最大訊雜比之比值。
  10. 一種衛星定位方法，係包括： 接收來自複數衛星之衛星訊號；依據該複數衛星訊號執行運算以取得一仰角標準差；依據該仰角標準差執行運算以取得一仰角遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之衛星定位方法，其中，依據該仰角標準差執行運算以取得該仰角遮罩值之步驟更包括：依據對應於各該衛星之一品質指標選擇一仰角初始遮罩值，並以該仰角初始遮罩值及該仰角標準差之和作為該仰角遮罩值。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之衛星定位方法，更包括判斷依據該仰角遮罩值選擇出來之衛星數量是否滿足定位演算法之可執行條件，在被選擇的衛星之數量滿足定位演算法之可執行條件時，以該仰角遮罩值選擇衛星，在被選擇的衛星之數量不滿足定位演算法之可執行條件時，以該仰角初始遮罩值選擇衛星。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之衛星定位方法，更包括依據一上限值對該仰角標準差執行運算，並且當該仰角標準差超過該上限值時，依據該仰角初始遮罩值選擇衛星。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之衛星定位方法，更包括：依據該複數衛星訊號運算以取得一訊雜比標準差；依據該訊雜比標準差運算以取得一訊雜比遮罩值；依據該複數衛星訊號選擇仰角大於該仰角遮罩值且訊雜比大於該訊雜比遮罩值之衛星的衛星訊號以進行定位演算法；以及依據該定位演算法進行定位以取得一位置資訊。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之衛星定位方法，更包括：依據一對應於各該衛星之品質指標選擇一訊雜比初始遮罩值，並以該訊雜比初始遮罩值及該訊雜比標準差之和作為該訊雜比遮罩值。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之衛星定位方法，更包括判斷該訊雜比遮罩值選擇出來之衛星的數量是否滿足定位演算法之可執行條件，在被選擇的衛星的數量滿足定位演算法之可執行條件時，以該訊雜比遮罩值選擇衛星，在被選擇的衛星的數量不滿足定位演算法之可執行條件時，以該訊雜比初始遮罩值選擇衛星。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之衛星定位方法，更包括對依據一上限值對該訊雜比標準差執行運算，當該訊雜比標準差超過該上限值時，以該訊雜比初始遮罩值選擇衛星。
  18. 如申請專利範圍第11或15項所述之衛星定位方法，其中，以各該衛星之仰角品質因子與訊雜比品質因子之和作為各衛星之品質指標，該仰角品質因子係各該衛星之仰角相對於該複數衛星最大仰角之比值，並且該訊雜比品質因子係各該衛星之訊雜比相對於該複數衛星最大訊雜比之比值。
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