專利名稱：利用衛(wèi)星定位信號進行瞬時測向的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個空間運動體的精確與快速測向。
典型情況是，航海需要對一艘船舶的前進航向有所了解，看它是正在航行、調(diào)遣操縱或是停止航行。該航行信息是關(guān)于該船舶在某個水平面上的縱軸定向信息。本發(fā)明的描述主要結(jié)合一艘船舶或一架飛機航向的測定，但它也可以應(yīng)用于關(guān)于一個運動體定向的其他信息，包括該水平面之外的情況側(cè)搖(橫滾)與縱搖(俯仰)姿態(tài)信息是航海與航空等的另一部分重要信息，盡管它們的精度要求通常不如航向信息。關(guān)于一部陸地運載工具的航向或定向的信息也很重要。也可以設(shè)想其他的范例性應(yīng)用場合，如關(guān)于一部吊車、一件武器等的定向信息。
航向測量傳統(tǒng)上是借助一個磁針羅盤、一個陀螺羅盤或者一個慣性單元。
由于地理北極與地磁北極的差別，而且由于該羅盤周圍的擾動磁質(zhì)，磁針羅盤需要修正。
電力支撐的陀螺羅盤對磁場變化不靈敏，在船舶中得到廣泛應(yīng)用。但是，安裝困難、高緯度下精度下降以及希望高精度時所需要的機械維護與費用都是相當(dāng)明顯的缺陷。慣性單元提供高質(zhì)量的測量，但費用很高，而且必須借助其他測量手段周期地重新調(diào)整。
也可以設(shè)想采用由衛(wèi)星測量位置的裝置來進行測向，譬如采用GPS系統(tǒng)(全球定位系統(tǒng))衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號。
使用位于該船舶(或飛機)上不同點的幾個接收天線，并通過差分測量來確定這些天線的相對位置，就可以測定以航向、側(cè)搖和縱搖等表示的姿態(tài)。在良好接收條件下獲得的精度是各天線之間距離的函數(shù)，對航向可以為3毫弧度、對側(cè)搖或縱搖可以為6至8毫弧度。
然而迄今為止，為了獲得希望的精確信息必須花費想當(dāng)長的時間(幾分鐘)。這對一艘在大海上前進的船舶并無妨礙，但在其他條件下則可能導(dǎo)致功能失常，譬如一艘船舶在衛(wèi)星信號接收常常被障礙物(橋梁、吊車等等)阻斷的港口附近進行調(diào)遣操縱。
所以，本發(fā)明的一個重要目的就是提出能夠極快獲得某個移動運載工具航向信息的一種方法和一臺設(shè)備，或者更一般地說，極快獲得某個目標(biāo)的定向信息的一種方法和一臺設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的是，降低只使用由衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射的無線電頻帶中的一個單一頻帶的測向設(shè)備的復(fù)雜性。在常規(guī)情況下，這些系統(tǒng)(特別是GPS系統(tǒng))的衛(wèi)星發(fā)射兩個通常標(biāo)記為L1與L2的頻帶，人們知道，使用該第二頻率可以加速關(guān)于位置的可靠信息的獲取過程，但很自然，這要以復(fù)雜性增加為代價，而本發(fā)明正力圖避免這一點。與現(xiàn)在同時使用這兩個頻帶所能獲得的信息相比，本發(fā)明可以通過使用這些頻帶中的某個單一頻帶來獲得更加快速的信息。不過，如果因為其他原因而需要同時使用兩個頻帶，那么本發(fā)明也適合使用兩個頻帶。
為了達到這些目的，本發(fā)明提出了對一個運動體測向的一種方法，它使用兩個天線來接收源自定位衛(wèi)星的無線電信號，該天線安裝在該運動體上的兩個固定點A和B，這一方法包括周期地確定兩個天線與p個衛(wèi)星之間的一組2p個擬距離，將這2p個擬距離遞送到一個位置計算設(shè)備，并由這個設(shè)備一方面根據(jù)該擬距離、另一方面根據(jù)點A對點B的某個估計相對位置來計算點A對點B的相對位置，這一方法的特征是，對于該計算設(shè)備接收到的一組給定的2p個擬距離，計算點A的相對位置包括
-點A相對位置的n次計算(n＞1)，它們分別涉及n個初始估計位置Ae1至Aen，這些估計位置都與點B有相同的距離D，但對應(yīng)點B周圍n個不同的取向，該n次計算提供點A的n個計算位置Ac1至Acn，-計算每個計算位置與點B之間的距離d1至dn，-從n個計算位置中選擇一個計算位置Ack，使得該相應(yīng)距離dk與距離D之間偏差(dk-D)的絕對值小于一個預(yù)定的閾值，-指出向量BAck的方向以代表要尋找的定向信息。
因此，不需要通過某種冗長的(譬如說迭代的)、涉及連續(xù)幾組擬距離的程序來搜尋點A的相對位置直到獲得滿意的結(jié)果，而只要用單個的一組擬距離來進行n次不同的計算，然后用可以得到的關(guān)于點A與點B之間實際距離的現(xiàn)有知識就可以選擇最合適的結(jié)果。這個現(xiàn)有知識能夠剔除所有由于滿足該常規(guī)有效性準(zhǔn)則而看似準(zhǔn)確、但實際不準(zhǔn)確的結(jié)果。在現(xiàn)有技術(shù)中，只有根據(jù)新的各組擬距離進行逐步計算才能夠經(jīng)過很長時間漸進地剔除它們。
舉例來說，如果這里假定每100毫秒在L1頻帶上發(fā)送一組擬距離，一次位置計算持續(xù)幾毫秒，n大約等于12，而且計算運行及距離比較需持續(xù)幾毫秒，那么可以看出，在100毫秒的時間內(nèi)可獲得定向信息，所以對每一組新的擬距離都可以獲得新的定向信息。因此就可以討論采用這些衛(wèi)星的一個單一頻帶(原則上是L1)進行準(zhǔn)瞬時測向。
正如下文將要說明的那樣，該位置計算(n次計算中的每一個)可以分兩步著手，粗測定的一步只用2p個擬距離中的一部分(與對估計位置中的誤差最不敏感的衛(wèi)星相對應(yīng)的部分)，并采用n個初始估計位置Ae1至Aen中的一個來計算點A的一個近似位置Ap1至Apn，第二步是更精確的計算，它采用全部2p個擬距離，并用第一步中已經(jīng)算得的近似位置Ap1至Apn作為一個估計位置。
這n個初始估計位置最好彼此相隔一個小于或等于該衛(wèi)星發(fā)射的信號的載波頻率波長λ的距離。
為測定一個航向(僅指水平面內(nèi)的定向)，這n個初始估計位置至少應(yīng)沿一個圓心為B、半徑為D的圓周分布。如果希望一連串估計位置之間的距離小于λ，那么數(shù)目n至少應(yīng)等于1+2πD/λ的整數(shù)部分。
譬如，如果波長大約為20cm，而距離D大約為40cm，那么大約要采用12或13個沿該圓周的初始估計位置。
在該船舶呈現(xiàn)相當(dāng)大側(cè)搖或縱搖的情況下，應(yīng)當(dāng)使該n個位置分布在一個球形環(huán)面上而不僅僅在一個圓周上。對一個40cm的距離D和一個20cm的波長，初始估計位置數(shù)目實際上可以取25至50之間的一個數(shù)n，所有位置與點B的距離均為D，并分布在這個球形環(huán)面上。
為了從該n個位置中選擇一個計算位置，首先要校驗這個位置是否實際上與點B的距離為D，但是也可以采用其他準(zhǔn)則來剔除某個距離正確或近似正確、但不滿足這些其他準(zhǔn)則的位置。
在這些其他準(zhǔn)則中有一個就是在多于四個衛(wèi)星時p個衛(wèi)星的位置測量的一致性。衛(wèi)星的一次位置計算通常伴隨一次被稱為“殘差計算”的計算，以便獲得對每個衛(wèi)星測得的擬距離之間的某個一致性數(shù)值。一致性數(shù)值不滿意的位置將被剔除。
在具有側(cè)搖或縱搖時測量一艘船舶航向的情況下的另一個準(zhǔn)則如下計算出由點A相對點B的計算位置來定義的側(cè)搖角或縱搖角，如果該側(cè)搖角或縱搖角超過一個設(shè)定的閾值，就剔除該計算位置，該閾值對應(yīng)某個不大可能、或者因為太大而無法獲得一個良好航向測量結(jié)果的橫搖角或縱搖角。
最后要指出，本發(fā)明的主題不僅僅是剛才已經(jīng)說明了其要點的測向方法，而且也是一個能實現(xiàn)這一方法的、為一個運動體測向的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括至少兩個接收衛(wèi)星定位信號的天線，這些天線固定在該運動體上彼此相隔一個距離D的兩點A與B；周期地測定一方面為點A與p個衛(wèi)星之間、另一方面為點B與p個衛(wèi)星之間的一組2p個擬距離的裝置；將該擬距離遞送到一個位置計算設(shè)備的裝置；根據(jù)n個初始估計位置和一組2p個擬距離來對點A相對點B的相對位置進行n次計算的裝置，這n個初始估計位置都與點B有一個距離D；計算由此算得的n個位置A1至An與點B之間的距離d1至dn的裝置；從這n個位置選擇一個計算位置Ack以使得距離dk與距離D之間的偏差絕對值小于某個設(shè)定閾值的裝置；以及計算向量BAck方向的裝置，這一方向就代表與所要求的定向有關(guān)的信息。
閱讀下面參考所附例圖而給出的詳細(xì)說明之后，本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點就會變得顯而易見。這些例圖為-
圖1示意地表示根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)備在一艘船舶上的安裝；-圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一個設(shè)備；-圖3表示點A在點B周圍的可能位置的球面。
-圖4表示初始估計位置在一個球形環(huán)面上的某種分布；-圖5表示這些位置在一個圓周上的某種分布；-圖6表示所進行的計算的一幅流程圖。
舉例來說，安裝在一艘船舶上的測向設(shè)備包括兩個中心位于位置A與B的天線10與12，它們相對于該船舶固定的方式可以使向量BA的方向與該船舶的定向之間有一對一的關(guān)系。向量BA可以沿該船舶的某個水平縱軸方向布置，在這種情況下，當(dāng)該船舶水平時，向量BA的方向與航向完全一致。但向量BA可以具有任意其他方向，只要這個方向有一個能單獨給出某個航向的水平分量即可。在上面所說的示例中，向量BA是水平的，并且垂直于該船的縱軸，所以也能測定側(cè)搖。距離BA可以為幾十厘米至幾米。
如果希望獲得關(guān)于姿態(tài)(航向、側(cè)搖和縱搖)的完整信息，就必須要有一個圖中未畫的、位于位置C且與BA不在一條直線上的第三個天線，點C的相對位置采用與計算點A位置完全同樣的方法計算(假定點B是這些相對位置的參考點)。
這些天線可以固定在該船的一根桅桿上。
從這些定位衛(wèi)星(GPS或其他系統(tǒng))發(fā)射的無線電信號由這些天線接收，并為一個電子組件14所用。
這個電子組件14首先包括(圖2)一個基于衛(wèi)星的定位接收器16，它能確定一個天線與幾個衛(wèi)星之間的擬距離測量值。術(shù)語“擬距離”應(yīng)當(dāng)被理解為是指該衛(wèi)星與該天線之間的無線電傳播時間，它可能受時鐘同步誤差影響，但只要能從至少四個不同的衛(wèi)星接收該信號，該誤差就可以按照慣例通過計算來消除。確定該傳播時間既要參考對該衛(wèi)星發(fā)射的某個載波頻率進行調(diào)制的偽隨機代碼的一個基準(zhǔn)時刻，也要參考該接收到的載波的相位，因為天線彼此十分接近，所以噪聲低于與代碼相關(guān)的測量的與相位相關(guān)的測量本身在本發(fā)明的框架內(nèi)是很重要的。
當(dāng)p個衛(wèi)星直接可見時，接收器16周期地(譬如每100毫秒)遞送一組2p個擬距離。這2p個擬距離對應(yīng)于從這p個衛(wèi)星到該第一天線(點A)的p個擬距離和從這p個衛(wèi)星到該第二天線(點B)的p個擬距離。
接收器16可由兩個部件構(gòu)成，一個部件專用于該第一天線以便遞送p個擬距離，另一部件則專用于該第二天線以便同時遞送另外p個擬距離。但也可以采用通過一個多路轉(zhuǎn)換器連接到這兩個天線的一個單一部件，使它先測定該第一批p個擬距離，然后再測定其他p個擬距離。在這種情況下，該接收器在遞送整個這組2p個擬距離之前自然會將這兩批擬距離歸屬于同一個測量時刻。
接收器16將這2p個擬距離遞送到一個計算相對位置的設(shè)備18，它的功能是測定天線10(點A)相對天線12(點B)的精確位置，并由此推導(dǎo)希望的定向信息。應(yīng)當(dāng)注意，該接收器與計算設(shè)備可以采用同一個微處理器，但是這里畫成兩個單獨的元件以便使理解更容易。
計算設(shè)備18通過編程來執(zhí)行該希望的計算，并被鏈接到與應(yīng)用有關(guān)的所需外圍設(shè)備顯示器20、鍵盤22、數(shù)據(jù)或程序閱讀器/記錄器24、對一個用戶的有線或無線傳輸裝置或者輸出到一條計算結(jié)果傳輸線的簡單接口。
該計算設(shè)備中提供的計算裝置能根據(jù)接收器16在某個給定時刻遞送的一組2p個擬距離來執(zhí)行下文將要詳細(xì)說明的運算。
該位置計算是差分計算，就是說，點A的位置是針對點B確定的，而不是針對一個獨立的地球基準(zhǔn)點。所以下面可以認(rèn)為，該位置計算的要點就是取在點A與點B測得的擬距離的差，并根據(jù)擬距離的差分測量值來計算點A的位置。下文還將引入擬距離二重差分(衛(wèi)星對之間的差分)的概念對這一點作進一步闡述。
大體上說，如果附加下文將要進一步加以闡述的傳統(tǒng)二重差分概念，那么差分計算的原理如下-依靠這些衛(wèi)星的天體位置推算表計算這些衛(wèi)星在測量時刻t的位置；-根據(jù)擬距離的差分測量值來確定點A與B之間沿該衛(wèi)星的視線軸線的差分距離。所得距離大體上可以看作是A與B之間距離沿這些軸線的投影；這些是測量距離；-并行計算點B與點A的估計位置(這就是說，下文將會更多地說到點A的位置假設(shè))之間沿這些相同軸線的距離；這些是估計距離；-測定該測量距離與該估計距離沿每根軸線的差，這個差被稱為沿這一軸線的偏差幅值或“新息”(innovations)；-根據(jù)這些偏差幅值并借助代表這些衛(wèi)星視線軸線的方向余弦矩陣來計算點A的測量位置與該估計位置之間在經(jīng)度、緯度和高度上的偏差；-將該計算偏差加到該初始估計位置并獲得點A的一個計算位置，它或者是一個準(zhǔn)確位置，或者是供下文將要看到的后續(xù)計算步驟中的一個新的估計位置；-將點A位置的準(zhǔn)確數(shù)值轉(zhuǎn)換為關(guān)于定向(譬如航向、側(cè)搖)的希望信息。
所以可以看出，這一類型的計算涉及估計位置，本發(fā)明的一個實質(zhì)要素就在于，要根據(jù)相同的一組擬距離但利用不同的初始估計位置連續(xù)進行點A位置的幾次計算，還在于要從對相同一組擬距離進行的各種計算中選擇一個結(jié)果。
所以，在進一步給出與本發(fā)明一個希望實施計劃中的計算實現(xiàn)方法有關(guān)的細(xì)節(jié)之前，首先要對選擇初始估計位置與選擇該結(jié)果的條件作出某種解釋。
圖3代表圓心為B、半徑為D的球面，根據(jù)該地球參考點上運動體的取向可以在上面找到點A，其中D表示固定在該船舶上的天線中心A與B之間的已知精確距離。但是，對于某種航海應(yīng)用，實際上可能認(rèn)為點A可以沿一個其高度h由該船舶呈現(xiàn)的最大側(cè)搖來決定的球形環(huán)面(圖4)移動。
選擇沿這一球形環(huán)面分布的、標(biāo)記為Ae1至Aen的、點A的n個估計位置。這些位置就是計算點A實際位置的最初假設(shè)。
為了簡化該說明，現(xiàn)在認(rèn)為該船舶只有非常小的側(cè)搖或縱搖，或者只在該船舶傾斜很小的狀態(tài)下該航向測量才生效。
在這種情況下，只需要使這些估計位置分布在一個圓心為B、半徑為D的水平圓周的外圍。圖5就表示這種結(jié)構(gòu)。
這一連串的位置相隔一個距離，該距離最好不超過該衛(wèi)星信號載波頻率的波長λ(對GPS系統(tǒng)的L1頻率大約為20cm，而且要獲得希望的快速航向測定也只需要使用L1頻率)。估計位置的數(shù)目n至少等于1+2πD/λ的整數(shù)部分以便覆蓋整個圓周，譬如在D＝40cm時至少應(yīng)為12或13(典型值)。如果即使在該船舶存在某個相當(dāng)大傾斜時仍必須要測量航向，那么就可以在圖4的球形環(huán)面上選擇25至50個初始估計位置，而不是在圖5的圓周上選擇12或13個估計位置。這一連串的位置仍然相隔大約λ或者稍近一些。
當(dāng)該測量點的計算位置與該估計位置(在這一計算中有用)之間的差小于該載波頻率波長之半時，就認(rèn)為該計算的質(zhì)量足以能使該計算位置確切符合該實際位置。這就是選擇這一連串估計位置之間的間隔大約為λ的原因。很明顯，這些位置可以更加靠近，這只不過是提高這一可靠性，但是這也必須增加每組擬距離測量所需的位置計算次數(shù)n。甚至還可以設(shè)想大于λ的間隔，特別是在某些希望的衛(wèi)星群結(jié)構(gòu)中。選擇一個幾乎等于該波長的間隔是安全性與計算時間之間一個很好的折衷。
所以，該第一初始估計位置Ae1被用來作為一個開始，點A的位置就根據(jù)這個估計位置按照上文已大體建立、下文將詳細(xì)說明的計算原理計算，它求得一個不一定位于該估計位置圓周(或球面)上的計算位置Ac1。在計算點A位置Ac1的同時，也計算這一測量的有效性的某種評價。在GPS領(lǐng)域，這個評價是常規(guī)評價。通常它是根據(jù)計算該殘差的均方值求得的，它產(chǎn)生一個較高或較低的一致性數(shù)值以代表該測量較高或較低的可靠性；該一致性數(shù)值可以就簡單地取這個平方值的倒數(shù)或相反數(shù)。這些殘差是該計算點與某些直線之間的距離，而這些直線則代表當(dāng)方程數(shù)多于未知數(shù)時(多于四個衛(wèi)星時)用于測定該計算點的直線方程。
然后從每一個估計位置Ae1、Ae2、...、Aen開始，始終采用同一組擬距離來進行位置Ac1、Ac2、...、Acn的計算。每次還要計算該測量的一致性數(shù)值。
計算每一個位置Ac1至Can與點B的相應(yīng)距離d1至dn，由于已經(jīng)知道要尋找的點A的位置應(yīng)當(dāng)在中心為B、半徑為D的球面上，所以將這個距離與D進行比較。
剔除那些對B的距離與已知值D的偏差d1-D至dn-D超過某個設(shè)定閾值(譬如當(dāng)AB距離為40cm時該閾值為1cm)的位置。
最好也剔除那些其測量的一致性數(shù)值在一個給定閾值以下的位置。
那些不符合與該應(yīng)用有關(guān)的某些準(zhǔn)則的位置也要被剔除譬如在一艘船舶航向的測量中，連接該天線的向量AB垂直于該船舶的縱軸，所以該測量對側(cè)搖很敏感，這時就可以-或者僅僅只是剔除那些側(cè)搖傾斜大于一個小給定值(譬如10°)時所作的位置測量；然后只要計算投影到該垂直平面上的距離AB并將它與某個閾值進行比較即可；這就意味著只是當(dāng)該船舶幾乎水平時才進行航向測量；-或者接收該船舶傾斜時(特別是對航向和側(cè)搖的測量感興趣時)所作的測量，但剔除那些象征對該船舶(由于測量誤差)看似不合理的某個側(cè)搖量的測量；所以，測量結(jié)果象征某個側(cè)搖大于一個很高閾值(譬如30°)的測量也被排除。
如果向量BA位于該船舶的縱軸方向，那么剛才對側(cè)搖所說明的方法顯然也適用于縱搖。
在所有情況下，這些閾值可以被參數(shù)化，并被修改得能適應(yīng)船舶的類型或者適應(yīng)航行的條件，當(dāng)然也可以修改得能適應(yīng)所設(shè)想的、并非涉及一艘船舶的應(yīng)用。
對一組擬距離進行的n次計算是在一個極短時間內(nèi)進行的，譬如說不到100毫秒。一般來說，這樣可以選出一個惟一的、滿足各種準(zhǔn)則的計算位置值A(chǔ)ck。
如果找到了幾個滿足各種準(zhǔn)則的值，或者相反，找不到滿足的值，就要準(zhǔn)備根據(jù)一組不同的擬距離進行一次新測量。但是，在本發(fā)明的一個變體中，可以希望保留同一組擬距離，在以前的位置Ae1至Aen之間規(guī)則地取中間位置A′e1至A′en作為初始估計位置，重做一系列另外的n次計算。在這第二次計算中獲得一個惟一的滿意測量值的幾率非常高。
現(xiàn)在將借助示例給出用以求得各個位置而進行的計算細(xì)節(jié)，并明確地表示這一計算中如何涉及該初始估計位置。圖6示意性地表示所作計算的主要步驟。
這n次計算的每一次都最好分兩步進行，一步是獲得一個近似位置Ap1至Apn，隨后一步則是精確重新調(diào)整以便獲得該計算位置Ac1至Acn；選擇一個滿足各種準(zhǔn)則的測量只對計算所得的最后位置Ac1至Acn進行。
獲得一個近似位置Ap1至Apn的這一步采用一個初始估計位置Ae1至Aen；這一步只利用從這組2p個擬距離中選擇的2p′個擬距離的一個子集。
更準(zhǔn)確地講，借助該天體位置推算表可以知道p個衛(wèi)星在測量時刻的可見性幾何位置，各對衛(wèi)星可以按它們對誤差敏感性上升的等級順序排列。只取與最低敏感性衛(wèi)星對相應(yīng)的p′個衛(wèi)星，p′最好等于4以便簡化計算。通過這一技術(shù)可以獲得該初始估計位置與該真正位置中間的某個近似位置。
該位置計算采用某種二重差分方法對該2p′個擬距離進行。
所謂“二重差分”方法是指并非直接根據(jù)這些擬距離進行計算，而是根據(jù)這些擬距離之間的差進行計算。
更準(zhǔn)確地說，是計算如下形式的二重差分DDjj＝(Dia-Dja)-(Dib-Djb)其中Dia是從點A到等級為i的衛(wèi)星的擬距離，Dja是從點A到等級為j的衛(wèi)星的擬距離，Dib是從點B到等級為i的衛(wèi)星的擬距離，Djb是從點B到等級為j的衛(wèi)星的擬距離。
Dia-Dja或Dib-Djb形式的差分可以消除對各衛(wèi)星共同的誤差。這些差分之間的差分，或者說二重差分DDij，可以消除由于大氣或電離層傳播以及各衛(wèi)星與該接收器之間的時鐘誤差引起的誤差。
將這些測量差分DDij與根據(jù)該初始估計位置計算的(和沒有測量的)類似差分進行比較。由這個比較得到的結(jié)果被稱為INNOVij，它代表該估計值與該測量值之間的偏差。
這些偏差與該估計位置(這里為該初始位置Ae1至Aen)與該計算位置(這里為該近似計算位置Ap1至Apn)之間在經(jīng)度、緯度和高度上的偏差DL、DG和DA的關(guān)系如下列方程所示INNOVij＝DJ[cos(Evi)cos(Azi)-cos(Evj)cos(Azj)]+DG[cos(Evi)sin(Azi)-cos(Evj)sin(Azj)]+DA[sin(Evi)-sin(Evj)]其中Evi、Evj為衛(wèi)星i和j的仰角，Azi、Azj為它們的方位角。
如果衛(wèi)星多于四個，那么采用最小二乘技術(shù)使誤差取極小值的某種簡單的計算或者某種矩陣計算就能夠確定代表測量位置與估計位置之間偏差的DL、DG和DA。將這些偏差加到該估計點(這里是點Ae1至Aen中的一個)的經(jīng)度、緯度和高度就可獲得一個計算點(這里是一個近似點Ap1至Apn)。
對每一個估計位置可以得到一個近似位置，根據(jù)這個近似位置可以進行一個第二步計算。該第二步非常類似于該第一步，但是-它采用全部該2p個擬距離；
-它采用該近似位置Ap1至Apn而不是該初始位置Ae1至Aen作為估計位置；-它采用方程數(shù)目大于未知量數(shù)目(假定衛(wèi)星數(shù)p大于4)時的一種矩陣計算來計算該最終位置Ac1至Acn；估計位置與計算位置之間偏差DL、DG和DA的確定按照慣例采用某種最小二乘法進行(由計算確定的位置是能使該殘差的均方值最小的位置)。
在最終位置的這一計算過程中，也確定了該測量的一致性數(shù)值(譬如該殘差均方值的倒數(shù))，以便對在該n個計算位置中選擇一個位置測量值加以確認(rèn)。
然后計算與點B的各個距離、與一個閾值進行比較、驗證該一致性數(shù)值，從而選擇一個準(zhǔn)確位置Ack，也可能根據(jù)其他補充準(zhǔn)則來選擇，譬如上文所說的最大側(cè)搖(或者，如果AB線是在該船舶的縱軸方向的話則為最大縱搖)。
向量BAck的方向就確定了要尋找的定向。它在水平面上的投影定義(如果向量BA不在該船舶的縱軸方向上，則在由初始校正所得的一個旋轉(zhuǎn)之內(nèi)的)該航向。
權(quán)利要求
1.為一個運動體測向的方法，它采用兩個天線(10、12)來接收定位衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，該天線位于該運動體的兩個固定點A與B，這個方法包括周期地確定這兩個天線與p個衛(wèi)星之間的一組2p個擬距離，將該擬距離遞送到一個位置計算設(shè)備(18)，以及由這個設(shè)備一方面根據(jù)該擬距離、另一方面根據(jù)點A對點B的一個估計相對位置來計算點A對點B的相對位置，這個方法的特征為，對該計算設(shè)備接收到的給定的一組2p個擬距離，該相對位置的計算包括-點A相對位置的n次計算(n＞1)，分別涉及n個均與點B有相同距離D、但對應(yīng)于點B周圍n個不同取向的初始估計位置Ae1至Aen，該n次計算能提供點A的n個計算位置Ac1至Acn，-計算每個計算位置與點B之間的距離d1至dn，-選擇一個計算距離Ack使得相應(yīng)距離dk與距離D的偏差(dk-D)小于某個設(shè)定的閾值，-指出向量BAck的方向以代表要尋找的定向信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征為，該n次連續(xù)的計算對這n次計算的每一個而言都分兩步進行-在第一步中，根據(jù)該n個估計位置(Ae1至Aen)中的一個以及2p′個擬距離中與p′個衛(wèi)星相應(yīng)的一個子集來進行一個近似位置(Ap1至Apn)的計算，其中p′小于p，而且其中從這p個衛(wèi)星的衛(wèi)星群中選擇的p′個衛(wèi)星是那些在給定的當(dāng)前衛(wèi)星群幾何位置下對某個估計位置誤差靈敏度最低的衛(wèi)星，-然后在第二步中，根據(jù)這完整的一組2p個擬距離以及點A的一個估計位置作一個點A相對位置(Ac1至Acn)的計算，該估計位置就是在該第一步中算得的近似位置(Ap1至Apn)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，該n個初始估計位置(Ae1至Aen)彼此相隔一個距離，該距離小于或等于這些衛(wèi)星發(fā)射的信號的載波頻率波長λ。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任何一項的方法，其特征為，點A位置的n次計算中的每一次都要伴隨著一個能提供該測量一致性的某個數(shù)值評價的殘差計算，而且要將該一致性與一個閾值比較以便在相應(yīng)的一致性低于這個閾值時剔除某個計算位置。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的、在側(cè)搖或縱搖存在時用于測量一艘船舶航向的方法，其特征為，計算由點A相對于點B的計算位置來定義的側(cè)搖角或縱搖角，而且當(dāng)該側(cè)搖角或縱搖角超過某個設(shè)定閾值時剔除該計算位置。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，為了測定一個航向，該n個估計位置(Ae1至Aen)至少沿一個圓心為B、半徑為D的水平圓周分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為，如果這些衛(wèi)星發(fā)射的信號的載波頻率波長為λ，那么數(shù)目n大約等于1+2πD/λ的整數(shù)部分。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，該位置計算包括現(xiàn)有的二重差分計算，每個二重差分形式為(Dia-Dja)-(Dib-Djb)，其中Dia和Dib代表點A和點B與等級為i的衛(wèi)星的擬距離，其中Dja和Djb代表點A和點B與等級為j的衛(wèi)星的擬距離，該位置計算是根據(jù)該二重差分并根據(jù)該估計位置進行的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，在該n個測量值均無法經(jīng)該選擇操作生效的情況下，根據(jù)該第一次初始估計位置(Ae1至Aen)之間的另外n個初始估計位置(A′e1至A′en)進行另外n次計算。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征為，在該選擇操作使幾個測量值生效的情況下，根據(jù)該第一次初始估計位置(Ae1至Aen)之間的另外n個初始估計位置(Ae1至Aen)進行另外n次計算。
11.為一個運動體測向的設(shè)備，它包括至少兩個接收衛(wèi)星定位信號的天線，該天線固定在該運動體的彼此相隔一個距離D的兩個點A和B；周期測定一組2p個擬距離的裝置，這一方面包括點A與該p個衛(wèi)星之間的擬距離，而另一方面則包括點B與該p個衛(wèi)星之間的擬距離；將這些擬距離遞送到一個位置計算設(shè)備的裝置；根據(jù)n個初始估計位置以及一組2p個擬距離來對點A相對點B的相對位置進行n次計算的裝置，該n個初始估計位置均與點B有一個距離D；計算由此算得的n個位置A1至An與點B之間的距離d1至dn的裝置；從n個位置中選擇一個計算位置Ack使得距離dk與距離D之間的偏差小于某個設(shè)定閾值的裝置；以及計算向量BAck方向的裝置，該向量代表與所要求的定向有關(guān)的信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個空間運動體的定向測量，譬如借助衛(wèi)星無線電定位信號的接收器來測定一艘船舶的航向。為了很快獲得一個定向測量值，采用位于兩個點A與B、其距離D精確已知的兩個接收天線，然后執(zhí)行如下過程根據(jù)在每個天線與p個衛(wèi)星之間測得的單獨一組2p個擬距離來連續(xù)n次計算點A相對于點B的位置(譬如當(dāng)距離D為40厘米時作12次連續(xù)計算)。該n次計算與用作該計算起始假設(shè)的n個初始估計位置(Ae
文檔編號G01S19/54GK1425139SQ0180819
公開日2003年6月18日 申請日期2001年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者勒內(nèi)·古農(nóng) 申請人:塔萊斯公司