利用衛星發射的三載波無線電信號和電離層校正的實時導航方法與系統的制作方法

專利名稱：利用衛星發射的三載波無線電信號和電離層校正的實時導航方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用衛星發射的三載波無線電信號和電離層校正的實時導航方法和系統，尤其涉及借助于連續更新的實時電離層模型而獲得的校正，該模塊基于來自衛星導航系統的數據，例如像三維體素(voxel)模塊一樣實現的。
雖然不專門但是特別適用于高精確度瞬時導航領域，其如下所示一般在大約數百千米或更高級別的距離時具有一個分米以內的精確度。
背景技術：
通過示例，我們下面將聚焦于本發明地優選應用上，不以任何方式限制其范圍。
為了獲得“物體”的精確定位、是靜止或移動、以及在后一情況下與其位置、其移動、該移動的方向和/或其速度相關的數據，當前普遍使用的技術之一是使用通過繞地球沿軌道運行的人造衛星而發射的無線電信號。術語“物體”應該被理解為其最一般的意思，特別是陸地、海洋或空中交通工具。為簡單起見，我們下面將該“物體”稱為“漫游者(rover)”。
有各種已知的技術用于獲得前述定位。它們特別地基于數個衛星在空間上的瞬時位置(或衛星的星群，因為這些衛星可能或不一定對地靜止)和無線電波傳播速度的知識。高精確度時鐘被安裝在這些衛星上，發射的信號包括時間戳信息，其使得精確地得知發射和接收的時刻是可能的。因此，已知波的傳播速度和它們到達漫游者所用的時間，就能夠確定在給定時刻觀察漫游者的衛星與漫游者的理論距離。如果足夠數量的衛星是可觀測的，則確定漫游者相對于參考框(frame)在二維(地球上的經度和緯度)或者甚至三維(經度、緯度和高度/垂直)的坐標是可能的。
然而，如下所示，由于各種原因而導致的測量錯誤累積，計算的距離只是盡是的，漫游者位置的確定受困于不精確性的或多或少的實質程度，其依賴于所用的技術。
最熟知的衛星導航系統之一是稱為“全球定位系統”的“GPS”系統。
通常，“GPS”(或類似系統)衛星在兩個頻帶內發射，一般指定L1(等于1.575GHz的載波頻率)和L2(等于1.227GHz的載波頻率)，因此將形容詞“雙頻”用于它們。
根據本領域技術人員公知的某些方法，這兩個頻率的使用使得改善漫游者相對于參考框的位置的確定精確度成為可能，但是它需要更復雜和更昂貴的“GPS”接收器。
可使用兩種主要方法來進行位置確定實時；或者事后，其通過進行已知的“后處理”來實現。第一種情況一般指“單歷元(single-epoch)”解析(resolution)(后面將用到的術語)或瞬時解析，這些計算是在單個觀測“歷元”期間進行的。第二種方法(“后處理”)使得改善精確度成為可能。然而，雖然后一種方法對于緩慢移動的漫游者(例如船舶)不具有任何主要缺點，但是對于快速移動的漫游者(例如飛行器(aircraft))是不合適的。
精確度可通過將衛星發射的信號與源自于其位置已知的固定地面參考站的信號加以組合來進一步改善。然而，如果漫游者行進很大距離，則站網絡需要相對地密集，特別是在確定漫游者位置時需要高精確度的情況下，其相應地增加全球系統的成本。
而且，在許多誤差原因中，當考慮等于幾十千米或更多的距離時，差分(difference)電離層折射是影響載波相位模糊的瞬時解析能力、從而影響提供導航的能力的主要問題之一，其中采用雙頻全球導航衛星系統，比如前述“GPS”系統，精確度是一個厘米級別)。該特征對于未來的三頻系統比如“GALILEO”系統和“現代化GPS”系統將保持不變。
本質上，目前計劃的三載波系統以最小數量的測地計算來提供瞬時模糊解析的高成功率和高完整性的潛在優點。這特別是因為更高數量的不同數據(即與前述三個頻率相關聯)變得可用，其相應地改善了獲得瞬時(“單歷元”)模糊解析的機會。
但是如下所述，該解析在此依然受到電離層折射的嚴重影響。
為了實現漫游者位置瞬時確定的高精確，尤其是行進很大距離的漫游者，仍需要實施技術以使它特別地減少電離層折射的有害影響。
在現有技術中，已經提出用于滿足此需要的各種方法。
例如，一種已知方法“TCAR”，用于“三載波模糊解析”。該方法在“Proceedings of the ION GPS”1998，IX-O-13，1-6頁中公開的、U.VOLLATH等人的、題為“ANALYSIS OF THREE-CARRIER AMBIGUITYRESOLUTION(TCAR)TECHNIQUE FOR PRECISE RELATIVEPOSITIONING IN GNSS-2”的文章中有所描述。
還有一種已知方法“CIR”，用于“級聯整數解析”。該方法在“Proceedings of the ION GPS 2000”中公開的、Jaewo JUNG等人的“Optimization of Cascade Integer Resolution with Three Civil GPSFrequencies”的文章中有所描述。
這兩種技術共享相似的基本方式整數的雙差模糊是通過計算波頻節拍(beat)來連續解析的。該計算是從最長進行到最短節拍波長進行的，包括所謂“寬”道(lane)和“超寬”道載波相位(分別具有7.480m和0.862m的波長)的組合、以及“L1頻率”處的第一載波(具有0.190m的波長)。
“TCAR”方法特別地構成簡單方式，其設法瞬時地解析模糊的全集(以“單歷元”模式)。但是，“TCAR”的性能受到隨著距離而發生的電離層折射去相關的強烈影響。事實上如下所述，當其雙差大于0.26 TECU(其對應L1的4cm延遲)時(與在二頻系統情況中一樣)，電離層延遲是個問題。
“TECU”是一個用于描述某一電離層電性特征的單位。本質上，電離層可使用表示電子總數的計數或“TEC”(對于“總電子含量”)的圖來描述。該圖表示作為緯度和經度函數的垂直方向上的電子數量積分(integration)。單位TEC是指“TECU”(對于“TEC Unit”)，一個TECU＝1016個電子，其包含于觀察衛星的觀測線上排列的圓柱體內，其橫截面是1m2。電離層中的帶電粒子是由太陽產生的，其輻射強度作為所討論的時間的函數而自然變化。因為地球在電離層下在其軸上旋轉，“TEC”圖一般被認為表示相對太陽而固定但是作為時間的函數而改變的參考框。
上述門限容易被超過，正如同可通過參考從“GPS”數據計算的垂直延遲的電離層(“TEC”)圖而看到的那樣。這樣的圖例如由Bern大學的“JetPropulsion Laboratory”等發行，由“University Corporation for AtmosphericResearch”和其他類似組織在互聯網上公開。
因此，為了進一步改善“TCAR”方法，開發了一種稱為“ITCAR”的整合方式。該技術例如在VOLLATH等人的上述文章中有所描述。
該技術使用搜索算法和導航過濾，其中模糊是輸出信號的一部分，殘余電離層誤差被粗略估計。對于所用技術的更詳細描述，參考此文是有價值的。
然而，雖然提供了很大改善，但是“ITCAR”技術仍然受到缺乏電離層折射雙差知識的影響，因此對于大于數十千米的距離而言，限制了模糊解析的成功率，如2001年5月21日公布的“GNSS Symposium”Seville，VOLLATH等人的、題為“Ambiguity Resolution Using Three Carriers-Performance Analyzing Using‘Real’Data”的文章中所描述的。
再次以改善漫游者相對于參考框的位置的確定精確度為目的，還提出了將從由固定站網絡產生的“雙頻”數據中獲得的電離層的實時電離層模型與來自測地程序的數據加以組合，并使用這樣的數據進行電離層校正。該方法已經多次成功地用于在“GPS”類型的二頻系統中實時解析模糊。
這種稱為“WARTK”(對于“寬區域實時運動學”)的一種方法例如在2002年9月19-22的“ION GPS”616-625頁中公開的、Hernández-Pajares等人的、題為“Tomographic Modeling of GNSS Ionospheric CorrectionsAssessment and Real-Time Applications”的文章中有所描述。該方法使得削弱在電離層中傳播的無線電波所經歷的擾動的有害影響成為可能，因此在本質上改善相位模糊解析的成功率和漫游者相對于參考框的位置的確定，但是它需要大量計算，以實時產生前述模型，還實時確定將應用于距離測量的電離層糾正。

發明內容
本發明旨在克服現有技術的方法和系統的缺點，其中一些已被提到。
本發明的目的是提供一種高精確度實時導航的方法(漫游者位置的確定一般優于一個分米)，其利用了衛星發射的三載波無線電信號和從與測地數據相結合的電離層模型中的數據而獲得的電離層校正，該電離層描述無線電輻射所穿過的區域。
為達到此目的，根據本發明的第一個重要方面，使用一種方法，用于瞬時(“單歷元”)解析前述“TCAR”類型的衛星發射的三載波相位的模糊。以描述性的電離層模型為基礎的精確實時電離層校正是由固定的參考站產生的。這些電離層校正被發送到用戶，用戶將它們并入到“TCAR”中。
本發明具有三個重要優點。
本發明所特有的能力使得能夠在遠離最近參考站的位置處在很長距離上獲得比“ITCAR”方法更好的性能。根據本發明的方法一般允許在距離該站100km之處多于90％模糊的瞬時解析，實際上在60km等級時則為100％，即使在不是非常滿意的操作情形下低的電離層值和最大的日光條件。在可比條件下，使用三頻的現有技術方法僅獲得60％等級的典型成功率。
容易看出后者特征是很有利的，因為它不需要安裝很密集的固定地面參考站網絡(距離數百千米等級的站)。其結果是數量很大的總體節省，例如對于歐洲在覆蓋該大陸時，與參考站僅分離十千米等級距離的網站相比，能夠減少99％的參考站數量，同時保持與通過現有技術的方法而獲得的相同的漫游者位置確定精確度。這事實上是所需要的安裝密度，用以獲得優于一分米的導航精確度，如本發明的方法在其優選應用中所尋求的。而且，本發明的方法所需的固定地面參考站網絡非常類似于正在為歐洲衛星導航系統所安裝的網絡，已知縮寫“EGNOS GNSS”(對于“歐洲對地靜止導航覆蓋系統-全球導航衛星系統”)。該系統基于“IMMERSAT III”衛星的星群，其暗示了與目前存在或處于安裝過程中的安裝的實質兼容。
然而，根據本發明的方法依然很簡單，類似于TCAR”方法。具體地，如上所述，與為二頻定位系統而開發的“ITCAR”和“WARTK”方法相比，它僅需要用戶(漫游者的接收器)的少量計算。
而且，由觀測衛星發射的無線電輻射所通過的區域的描述性實時電離層模型僅使用載波相位數據，該數據與在單個中心計算出的測地估計相結合，該單個中心可以是參考站網絡中的多個站中的一個，稱為“主”站。
因此，本發明的基本主題是一種實時導航方法，其使用第一、第二和第三不同頻率的三載波無線電信號，這些頻率在數值上從所述第一頻率增加到所述第三頻率，以確定被稱為漫游者的用戶的位置，所述無線電信號被繞地球沿軌道運行和觀察漫游者的衛星上安裝的給定數量發射器發射，所述信號由與所述漫游者相關聯的接收器、以及與稱為參考站的多個固定地面站中的至少一個地面站相關聯的接收器接收，所述無線電信號穿過圍繞地球的所謂大氣電離層，而且經歷在所述載波中產生相位模糊的擾動，其中至少包括如下步驟
-第一步驟，包括在所述漫游者中，根據使用單個碼值的偽距(pseudorange)的組合，確定第三和第二載波之間相位差的所謂“超寬道”模糊；
-第二步驟，包括在所述漫游者中，根據所述第一步驟中確定的所述“超寬道”模糊，估計第一和第二載波之間相位差的所謂“寬道”模糊；
-第三步驟，包括在所述漫游者中，根據所述第二步驟中估計的所述“寬道”模糊，解析所述頻率之一的模糊；以及
附加步驟，用于在所述第三步驟中應用實時電離層校正，所述電離層校正基于所述層的連續更新的實時電離層模型。
本發明的另一目的是實現該方法的衛星導航系統。


現在參考附圖，將更詳細地描述本發明，在附圖中
圖1A示意性地示出地球和圍繞它的被分割成體素的電離層的部分截面圖、以及由三個通信衛星上的“GPS”發射器所產生的無線電波束和接收這些信號的三個地面站；
圖1B示意性地示出從漫游者的“GPS”接收器所看到的用于實現本發明方法的完整導航系統的體系結構；
圖2示意性地表示相對于相同坐標軸的地面參考站和漫游者的基線和位置；
圖3是示出了相對于這些相同坐標軸的漫游者軌線的圖2的擴張圖(放大)；
圖4是示出了相比于真實電離層延遲、從根據本發明的實時電離層模型估計的延遲實例的曲線圖5是示出了相比于真實值、利用電離層的描述性模型而實時估計的“傾斜總電子含量”(“STEC”)的雙差實例的曲線圖6是示出了相比于兩個電離層門限、“STEC”雙差的實時電離層模型的確定誤差實例的曲線圖7A至7D是示出不同導航分量中估計的誤差(米)實例的曲線圖8A至8D是示出相同導航成分中的真實誤差(米)的實例的示意圖9是示出了電離層雙差的瞬時確定的示例成功率的示意圖，其對于1至30秒范圍內的反應時間(latency time)的校正，高得足以解析所有模糊(具有優于0.26的“TECU”)，；以及
圖10是示出了對于達到900秒的反應時間的校正、電離層雙差的瞬時確定的示例成功率的示意圖。
具體實施例方式
此后，不以任何方式限制本發明的范圍，我們將把重點放在其優選應用的內容上，除非另有表明，即高精確度衛星導航方法的情況，其使用由衛星發射的不同頻率三載波無線電波、以及從來自于由衛星的射頻輻射所探測(sound)的區域的描述性實時電離層模型中導出的實時校正。
我們現在將詳細地描述根據本發明的方法的主要步驟，其使用典型的數值來標示它們。它包括三個基本步驟，其類似于前述“TCAR”方法的步驟，如下所述
步驟1
為了解析所謂的“超寬道”模糊(在給定示例試驗的數據集中具有典型的7.5米波長)，增加了稱為“偽距(pseudorange)”的碼的組合。
在已知的誤差原因中是所謂的“多路徑”現象。雖然偽距多路徑能夠減少成功率，但是此誤差與“超寬道”的長波長相比一般是低幅的，且通常能夠克服此問題。
事實上，“TCAR”方式的典型第一步驟(例如參見1998年的VOLLATH等人的前述文章)是根據“超寬”道載波相位的雙差(此后稱為△New，Lew是“超寬”道載波的波長)來估算模糊的雙差(衛星接收器對之間)，此后稱為△New，其中利用了“偽距”(或代碼)Pew的組合，這些“偽距”(或代碼)共享與這些相位組合相同的電離層相關值和符號。這就能夠從“超寬道”組合中給出長的波長。Lew和Pew的值可由如下等式確定
在等式中，Lx是具有頻率fx和具有波長λx的載波相位觀測(波長單位)。X值被顯示在本說明書最后所附的表I中，可理解數字1至3與所述實例中的三個頻率相關聯。表I將一定數量的關聯數據分組在一起頻率、波長、電離層相關和最大多路徑誤差，以及有利于理解根據本發明的方法的各種觀測。此數據分別與三個頻段L1至L3相關聯，且分別與“超寬”和“寬”道載波相位(Lew和Lw)相關聯。Px是相應的“偽距”觀測。載波相位和“偽距”的多路徑和觀測誤差分別標記為mx、Mx、εx和Ex(最大多路徑值和典型測量誤差也在表I中列出)。非差載波相位模糊λxbx，其包含儀器延遲在雙差之后變成波長λx△Nx的倍乘(multiplication)整數值。電離層延遲αxI與“傾斜總電子含量”或“STEC”成比例，即自由電子密度沿著衛星所輻射的波束的積分(通常在TECU中測量)，如前所述。在等式(1)和(2)中，ρ*表示不依賴于頻率的項(距離、時鐘誤差、對流層折射等)。
從等式(2)中，其中附加的較小項，比如載波相位的結尾(wind-up)，未被明確表示；通過減去相應代碼，在單個觀測“歷元”中能夠估計“超寬”道模糊的雙差，此后稱為
如下面的等式中所示
當沒有影響接收器的大量多路徑時(通常小于3.7米)，此評估的誤差限制小于0.5周期(如表I中提供的值所示)，其使得將模糊瞬時地確定至準確的整數值成為可能。
步驟2
該組合“寬道”模糊是從第一步驟期間獲得的明確(unambiguous)“超寬道”載波相位中估計的。多數時候，二者之差是由“超寬道”模糊和差分電離層折射構成的(大約0.06周期/具有本例工作頻率的TECU)。這些非分散項被消除。這里主要問題是測量錯誤和載波相位信號的多路徑。雖然在中間緯度處和在小于100千米的基線時，差分電離層折射的典型值僅僅是少量TECU，但是電離層糾正的使用能夠大大增加在更大距離處和在更困難的電離層場合中的成功率。
現在將解釋該步驟的主要細節。
一旦使用相應的“偽距”解析出第一“長波長”模糊△New，由如下等式表達的第二模糊，比如“寬道”組合Lw
(在等式中，1和2是具有頻率L1和L2的相位)能夠從△New和從載波相位的相應差中來估算(見表I中的相應常數值)，其根據等式
本質上，在存在適度的多路徑時，相應于等式(5)的誤差項(其還包括觀測誤差)一般小于0.3米，即小于0.4周期。對于實例中的頻率，從模糊解析中保留的誤差項對應于0.0580周期/TECU值處的電離層折射(見表I)。該項可能降低成功率，但是它在中間緯度處和在小于幾百千米的距離處不是關鍵項，對于此點，“STEC”值的雙差(此后稱為△I)一般小于10TECU。下面參考圖5中的示意圖，將給出具體實例。
正是在這樣的背景下，實時電離層模型的使用改善了在低緯度處和在具有較長線路的場合時的“超寬道”模糊解析成功率的狀況。
步驟3
L1相位模糊是從L1和前面所得的單值“超寬道”之差導出的。在該步驟中，主要問題是相應的差分電離層折射(約1.9周期/TECU)，其在中間緯度處可能產生數個周期的誤差。
在第三步驟中，實施了與第二步驟相似的方式，但是使用了短波和中波長而不是中波和長波之間的載波相位差，如下等式(6)清楚地所示
在等式中，α1和αw(一般αx)是表I中定義的電離層系數，在所描述的實例中。
在第三步驟中，載波相位測量誤差和適度多路徑的組合引入了另一誤差，一般小于0.2周期(見表I)。然而，這里關鍵問題是電離層折射，其對于短基線也可能引入大于0.5周期(-1.945周期/TECU)的誤差。
通過計算優于0.26TECU(即0.5周期x TECU/1.9475)的實時電離層校正，能夠克服此基本限制，以便保證正確的整數模糊評估。這些校正在步驟4中被引入，現在將對其進行描述。
步驟4
為了克服第三步驟中出現的問題(即為了確定最短波長的模糊)，確定實時模型，以估計差分電離層折射。該模型是根據參考站網絡中的固定位處的雙頻載波相位數據而計算的。假設衛星發射的無線電波輻射所穿過的電離層區域的描述由此而產生。該模型的數據以已知的方式與從同時的測地計算導出的數據相結合，后者能夠有利地通過網絡中的固定地面站之一來執行，其稱為“主”站。該技術的主要優點是，即使在與最近參考點相距幾百千米處和在變化的電離層條件下，仍可估算具有小于0.25TECU的典型誤差的差分折射。對于中、長距離，該精確度在L1模糊的瞬時確定中一般涉及小于0.5周期的誤差。
自由電子的電離層分布能夠通過分解體積單位或“體素”的柵格來大近似確定，其中“地球中心慣性”(或“ECI”)系統中的電子密度被假設為在給定時刻是恒定的。
該類型的典型設置在圖1A中有所描述。該圖1A示意性地示出體素Vocijk(i、j、k分別是經度、緯度和高度的坐標下標)的子午界面圖，其中電離層電子密度分布是根據等式(7)來分解(break down)的，以便確定實時電離層模型的數據。
在圖1A中，地球GT在局部截面中示出，由電離層CION包圍，其已經分別被任意細分為兩個中間層Ci1和Ci2。層Ci1的較低高度在所述實例中是60km，其較高高度是740km。層Ci2的較低高度是740km，其較高高度是1420km。體素Voxijk的角表面均是5×2度。
通過圖示，我們已經表示了衛星SAT1至SATn(在圖中示出其中三個)，其中分別安裝“GPS”發射器、GPSE1至GPSEn。這些衛星SAT1至SATn考慮了全部或一些地面站，例如圖1A中所示的三個固定參考站ST1至STM，其包括“GPS”接收器GPSR1至GPSRn和集成計算裝置(未表示)。
圖1B示意性地表示從漫游者SUR所看到的根據本發明方法的完整導航系統的體系結構。
該系統需要與某些當前應用的系統比如EGNOS或WAAS相似的計算機、接口和物理資源。
用于實現根據本發明的方法的該系統包括“GPS”接收器SURGPS，其接收衛星發射的信號，例如圖1A中的衛星SAT1至SATn。根據這些三頻帶信號，如上所述，使用集成計算裝置(未表示)來進行“TCAR”方法的三個步驟。
它還接收來自實時電離層模型的數據信號，該模型是由參考站REF(圖1的固定地面參考站ST1至STM的網絡中最近的站)根據利用“GPS”接收器REFGPS從衛星SAT1-GPSE1至SATn-GPSEn而收到的信號來確定的。站REF利用發射器REFE1將數據從該模型傳送至漫游者SUR。
能夠在單個所謂主站REFM中被確定的測地配置數據被其發射器REFME發射，并被分發至漫游者SUR，以與來自電離層模型的數據組合。作為規則，該站還具有“GPS”接收器REFMGPS，就像其他固定地面參考站一樣。與測地模型的數據同時地計算測地配置數據。
以一種已知方式，使用Kalman濾波器，實時地解析每個照射單元i、j和k(如上定義，i、j和k是三個尺度的坐標下標)的平均電子密度Ne，就像隨機傳播過程一樣來處理，并利用109至1010電子/m3/
的典型過程噪聲，可獲得電離層確定。為了給出一個非限制實例，使用Kalman濾波器的處理在Mathematics in Science and Engineering Vol.128，Academic Press，New York，1977中公開的、G.J.BIERMAN的題為“Factorization Methodsfor Discrete Sequential Estimation”一書中有所描述。
根據本發明方法的重要特征，僅使用載波相位數據。因此，避免了“偽距”碼噪聲和多路徑。載波相位極化B1(對于每對衛星接收器，其在載波相位數據的每個連續弧中是恒定的)被同時估計，作為隨機變量(當周期滑移(cycle slip)發生時，其變為隨機白噪聲過程)。在該濾波器中，這些極化是從電子密度值實時去相關的，因為衛星幾何變化和兩類未知元的變化已經變小，如下面等式(7)所示，其表示“GNSS”衛星-接收器對之間給定電離層信息的模型，L1和L2是長度單位中表示的載波相位，Li＝L1-L2，且Ne為電子密度)。L1由如下等式給出
在等式中，值“REC”和“SAT”分別與“接收器-衛星”對的GPS接收器和衛星相關，dl是鏈接該對的視線上的基本距離，且△Si，j，k是STEC的單基本坐標表面，i、j、k是三維的坐標下標，如上所定義的。
該方案尤其適合用于檢測電子密度分布的局部特征，且將兩個層與來自全球導航衛星系統(縮寫“GNSS”)的地面數據一起使用，而不是通常方法中的單個層，大大減少了電子含量的不良建模的風險。
在“WADGNSS”(“廣域差分GNSS”)網絡的情況下，根據傾斜總電子含量的這些實時校正的內容或者經過等式(7)獲得的“STEC”，能夠
-第一，形成站-衛星雙差△STEC，其具有小于1 TECU的誤差，以及在參考站中獲得第二(即“寬道”)模糊；以及
-第二，在漫游者的接收器中插入單值L1，即在數百個TECU的水平時的非常精確值△STEC，在模糊的解析之后獲得的值。
如果插入值優于0.26 TECU，則漫游者的接收器能夠實時地解析兩個模糊。
該方法本質上類似于前述Hernández-Paiares等人(2000)的前述文章中公開的所謂“WARTK”方法。迄今為止在各種試驗中利用“WARTK”技術而獲得的結果在“ION GPS 2001”中于2001年9月公開的、Hernández-Pajares等人的、題為“Tomographic Modeling of GNSS IonosphericCorrectionsAssessment and Real-Time Applications”的另一文章有所概括。為了該方法的更詳細描述，參考這兩篇文章是有價值的。
在該方法的動態利用中，最重要的限制之一是局部電離層無規則的存在，比如傳播的電離層擾動或“TID”(用于“行進電離層擾動”)，其在使用網絡中的參考站之間電離層校正的線性插值時可能產生不正確的結果。通過并入來自漫游者的雙頻數據，能夠改善性能。
而且，在參考站中進行計算的情況下，長距離和強電子含量梯度也可能限制該技術的性能。由于此原因，根據本發明方法的特征，開發出附加過程，以利用所謂的平滑“寬道”碼，來涵蓋相隔數千千米的永久和/或參考站的情況，以便改善電離層模型，由此建立用于實時模糊確定的輔助。這樣的過程例如在Journal of Geophysical Research，2002中公開的、Hernández-Pajares等人的、題為“Improving the Real-Time IonosphericDetermination from GPS Sites at Very Long Distances Over the Equator”的一文中有所描述。
然而，現有技術中所用的、利用雙頻“GPS”系統在漫游者的接收器中實時地解析模糊的這些方法需要大量的測地計算，以便在約二十分米級別上確保相對良好的位置確定，以解析自由浮動的電離層極化組合，因此能夠在數分鐘級別的聚收斂時間之后(利用前述“WARTK”方法)實時地解析模糊。
本發明使得克服現有技術中的缺點、尤其如“WARTK”方法所揭示的缺點成為可能。它能夠改善用于在參考站之間的中、長距離時(從數十千米到數百千米變化)、利用最少的測地計算量來解析三載波相位模糊的瞬時方法。該主要改善依賴于前述“TCAR”方法的第三步驟，其利用了在參考站中連續計算的電離層模型所提供的實時電離層校正。
前述步驟的附加改善也在本發明的方法中有所實現。該改善包括利用三個不同的偽距碼，此后稱為P1、P2、P3，而不是單個碼元，其能夠減少“超寬道”模糊的解析中的多路徑影響。
此外，在優選實施例中，使用偽距、“寬道”和L1頻帶碼，進行整體性測試，以檢測與最長波長的模糊解析中的誤差相關聯的模糊評估中的跳越(jump)。本質上，在前述第二和第三步驟中，從等式(5)和(6)中容易看出，“超寬道”模糊誤差中的一個周期產生了近似八個周期的“寬道”誤差，一個周期的“寬道”誤差變換成四個周期的L1誤差，L1是所述實例中具有最短波長的載波。通常，模糊評估中的這些跳越大得足以利用相應代碼來檢測和過濾。
根據本發明的該方案能夠直接克服主要限制，其使得在長距離上(大于100千米)進行典型誤差小于數厘米的導航變得不可能。
本說明書末尾處的表II概括了現有技術中用于實時模糊解析的主要方法(“TCAR”、“ITCAR”、“WARTK”)與根據本發明的方法相比較的特征。
為了更好地說明根據本發明方法的主要特征，我們現在描述基于數個數據集而進行的示例性試驗，這些數據集是由前述“GNSS”類型的現有系統中的衛星上安裝的改型信號產生器提供的，該試驗利用了飛行器、飛行“表面”用戶(例如陸地交通工具)或固定點的仿真。各種動態和電離層條件被納入考慮中。
通過圖示，為了提供有意義的實例，表面交通工具的接收器(此后稱為漫游者SUR)的模糊實時解析在各種場合下是相對于與漫游者SUR相距約129km的固定參考站(此后稱為REF)來具體研究的。在所述實例中，兩個“GPS”載波(分別是1575.42和1227.60MHz)和具有1615.50MHz頻率的“GLONASS”系統的24通道載波構成了“GNSS”系統模擬器所采用的三個頻率，對于1Hz、20分鐘的四個衛星而言，其使用了已知的“AGGA”(對于“高級GPS/GLONASS ASIC”)類型的有效接收器的十二個可用通道。“AGGA”是數字集成電路，其允許空間應用的高速數字信號處理，比如“DNSS”系統信號的無線電掩藏和低地球軌道確定。該電路基于“ASIC”(或“專用集成電路”)標準(所述實例中的ATMELT7905E)。“GLONASS”(“全球軌道導航衛星系統”)是可與“GPS”系統媲美的俄羅斯衛星導航系統。
兩個基本數據集在所述實例中被考慮，此后引用為“P5-M0”，與最大信號功率和無多路徑相關聯的集合，其構成了理想情況；以及“P3-M1”，與平均功率和多路徑相關聯的集合。
除了數據集中模擬的參考站接收器之外，“IGS”(對于“國際GPS服務”)中存在的相距大于200千米的更多三個站被添加用于電離層計算，其能夠仿效更為顯示的情形，該情形包括固定點的更大網絡。
我們現在將示出對于最困難情況的具體研究結果，即“漫游者SUR-站REF”對的最長基線或者約129km。參考站REF是圖1A中的站ST1至STM之一。
圖2圖示了該實例，表示出基線以及站REF和漫游者SUR相對于坐標軸、橢圓體緯度和經度的位置，其在度數上是升級的。
圖3是圖2所示漫游者SUR再次相對于坐標軸、橢圓體緯度和經度的軌道拓張圖(放大)，其在度數上是升級的。
這些結果的第一方面在電離層濾波器的實時性能方面有所涉及。與真實的電離層延遲(參考Vv)相比，從實時電離層模型估計的延遲實例(參考曲線圖中的Tm)在圖4中有所表示。這些值對應于來自試驗的測量，進行該試驗是為了表明根據本發明方法的能力。
而且，在圖5和6中示出了對于精確導航更為重要的參數“STEC”的估計雙差之間數值和差值(即誤差)、漫游者SUR的△、及其真實值△I(在縱坐標上以TECU中表示；橫坐標以秒表示延遲)。
準確地說，與相對于最遠接收器或REF的漫游者SUR接收器(在大約129km的距離處)的真實值相比而言，圖5示出了“STEC”的雙差，標記為“ddSTEC”，其是利用了根據本發明重要方面之一的電離層模型來實時估計的。
圖6示出了“STEC”雙差的實時電離層模型的確定誤差，再次標記為“ddSTEC”。電離層的真實值與兩個電離層門限“閾值1”(+0.26 TECU)和“閾值2”(-0.26TECU)相比較，使得能夠確定第三模糊△N1。
92％以上的電離層確定具有±0.26TECU門限以下的誤差。因此它們精確到足以使得在沒有多路徑的情況下能夠解析三個模糊，不將測量誤差納入考慮之中。具有大于0.26TECU誤差的剩余8％評估的大部分來自于在較低高度處和在南部方向中觀測的衛星，電離層梯度對于該方向是最高的。這些結果是通過向四個參考站增加第五站來略微改善的，該第五站為南部方向執行電離層校正計算。
一旦實時電離層校正已被計算且從參考網絡發射，根據本發明的方法步驟能夠以述方式在漫游者SUR中來進行，以便估計和瞬時解析(以“單歷元”模式)每波束的三個模糊。
分別對于前述數據集“P5-M0”和“P3-M1”，模糊解析的主要結果的概括在兩個表III和IV的形式中被示出，其位于本說明書末尾處。“TCAR”方法的三個步驟的成功率在如下三種情況中示出
(a)沒有電離層校正；
(b)具有來自當前“GPS”系統發射的Klobuchar電離層校正模型的相應電離層校正；
(c)具有來自根據本發明方法的實時電離層模型的校正。
準確地說，在關于表III所述的實例中，成功率(％)是相對于“超寬道”、“寬道”和L1帶頻模糊(分別是△New、△Nw和N1)的總計3834個飛行解析測試，其關于相對于最遠固定點REF(在大約129千米距離處)的漫游者SUR的接收器，且利用前述理想數據集P5-M0(最大接收功率，沒有多路徑)。
表IV類似于表III，但是利用了前述數據集P3-M1(接收功率的平均水平，多路徑)。括號內的數字表示相對于觀測總數的成功率。
容易看出，當查看表III和IV時，本發明的方法，其組合了“TCAR”方法的三個步驟和應用精確實時電離層模型的步驟，使得大大增加瞬時(“單歷元”)模糊確定的成功率成為可能，不僅在理想情形(數據集P5-M0從0至92％)中，而且在具有多路徑(35％，即使利用“Klobuchar模型”類型的校正，然而利用來自根據本發明方法而產生的電離層模型的校正，成功率對于△N1達到92％)的更困難情形(數據集“P3-M1”)中。
查看表IV表明，利用受到多路徑影響的數據集“P3-M1”時的重要問題之一是缺乏根據“TCAR”方法的模糊評估的完整性，△New和△Nw分別具有約10％和4％的不正確瞬時確定。
為了增加完整性，即為了減少不正確模糊中分解(factoring)的可能性(在存在載波相位的情況下)，以及為了每個多路徑編碼，能夠使用相應的偽距、“寬道”和“L1”碼，試圖在“TCAR”方案中檢測先前最長波長的模糊中潛在的模糊確定誤差(分別是“超寬道”和“寬道”模糊)，這些誤差分別被“超寬道”和“寬道”中的9和4個波長因子放大，如等式(5)和(6)中所示。
相應結果的概括在兩個表V和VI的形式中示出，其位于本說明書末尾處，分別利用偽距和平滑偽距來濾除這些重要誤差。
表V類似于表II，但是這里模糊解析成功率是在進行完整性測試之后計算的，即與偽距導出的模糊相比較，以便濾除“寬道”和L1模糊中的大跳越，這些跳越由先前較長波長的模糊誤差引起的。最后一欄表示可用性，即通過利用偽距的完整性測試的3834個觀測的百分比。括號“*”內的數字表示在通過完整性測試之后計算的模糊百分比。如前，括號內的數字表示相對于觀測總數的成功率。
表VI類似于表III，但是平滑偽距被用來代替“純”偽距以進行完整性測試。
容易看出，本發明的方法通過利用平滑碼的完整性測試，提供了完整性約20％的的大量改善(從表IV中的79％到表VI中的91％)，在可用性中具有較小的降低(16％)(從100％到84％)。如果替代使用瞬時(“單歷元”)碼，則完整性進一步改善(84％)，且具有較大的可用性(90％)。當使用Klobuchar類型的已知“GPS”傳輸模型，代替來自本發明方法的實時電離層模型的校正，則結果發生實質惡化，伴隨著可用性的近乎完全缺乏。
盡管它們適合用于獲得瞬時模糊解析，但是對于剛才所述試驗的可用數據集在確定瞬時(“單歷元”)位置時卻是很受限制的。事實上，對于該試驗，僅有四個可用衛星觀察20分鐘的數據，因此用于漫游者SUR的瞬時導航解決方案不得不使用沒有多路徑的數據集“P5-M0”來計算，具有很高的可用信噪比，以便利用最少數量的四個衛星用于導航。而且，忽略了對流層延遲，對它的評估將需要至少第五個衛星。而且，從大約7200至7500秒的第一間隔在關于某些載波相位截止配置的定位確定中被略過，其潛在地歸因于該時段中接收器內的測量問題。另一方面，從電離層校正和模糊解析的相應成功率來看，這些結果實際上與對于數據集“P5-M0”而獲得的結果是相同的(見表III)。
這些限制歸因于現有系統所供應的數據集的使用，它們僅受到最少量的改裝。利用更真實的數據集，例如由六個或更多衛星供應的，對于定位確定的這些重要限制將消失。事實上，將能夠獲得更好的幾何(幾何“DOP”或“精確度的稀釋”因子)以及檢測和濾除具有模糊誤差的衛星的能力。這也能夠通過使用導航濾波器或自治接收器監督算法來實現。
包含于數據集P5-M0中相應于四個衛星的結果在圖7A至7D中示出，其示出了調整之前(圖7A)的殘余、以及在實施了根據本發明的方法之后瞬時定位誤差的東(圖7B)、北(圖7C)和垂直(7D)分量，其是對于與參考站REF相距約129km的漫游者SUR而言的。曲線圖的縱坐標按米升級，橫坐標(延遲)按秒升級。
為了比較，圖8A至8D表示相應的數據，但是對于真實的模糊。
調整(圖7A)之前的殘余△Lc的主要特征是與L1中的1個周期誤差(大約8％見表III)相關聯的約10cm誤差，其產生了與跳越相似的(“單歷元”)導航誤差。它們也在圖7B至7D中示出。它們被相應幾何“精確度的稀釋”因子“DOP”放大。L1模糊的這些不正確評估通常影響每個歷元可用的每三個(用于確定定位的最小數量)之中的一個雙差，因此該誤差三次影響定位(這些歷元的約24％，在5cm下三維誤差是76％，在21厘米下是100％)。雖然誤差分布不是Gaussian，但是最終的有效三維值(“RMS”)對于東、北和垂直分量分別是7、3.5和2厘米。
為了概括這些結果，當正確解析模糊時(約92％的測試和77％的歷元)，分別為東、北和垂直分量獲得1、1和2cm的“RMS”誤差；當包含具有不正確模糊解析的歷元時，3、5和2cm的“RMS”誤差分別對于東、北和垂直分量而出現。
而且，在調整之前，由于載波相位雙差和瞬時(“單歷元”)導航誤差的殘余計算而減少的觀測在圖8A至8D中被表示。可看見載波相位的大量放大，尤其在垂直分量中，產生約5cm的誤差。該軌線(對于北、東和垂直分量，分別具有3cm、1.1cm和2cm的三維“RMS”值，在2、2和4cm處具有95％的水平)非常清楚地表示這樣的解決方案，其可在第一次歷元期間的正確模糊解析之后利用實時濾波器替代瞬時(“單歷元”)模式解決方案來獲得。
為了表征電離層校正中反應時間的影響(例如歸因于通信中的潛在問題)，對于固定站網絡中的電離層校正計算，則考慮1至30秒的延遲(30個歷元)。對于這些延遲中的每一個，計算“ddSTEC”(TECU)的成功率，以便獲得對于129km距離處的漫游者的0.26TECU絕對精確度。該比率在圖9中被表示為反應時間(秒)的函數。容易看出，反應時間的影響被忽略直至30秒，對于所有反應時間則實現大于90％的成功率。
在圖10中，同時在對于參考網絡和漫游者校正的情況下，考慮更長的反應時間，從而電離層穿透點緊密保持在一起。顯然的是，在5分鐘之后，成功率從90％降低到85％。在10分鐘之后，成功率進一步下降到75％。這些值在差分電離層延遲的變化甚至更高的情形下可能更急劇地下降。
顯然的是，在中間緯度處，對于根據本發明的方法，反應時間不會引起重大問題，其能夠支持高達約5分鐘的典型反應時間。
通過閱讀上文，容易看出本發明達到下述目的。
根據本發明的方法通過應用使用了電離層斷層分析模型的實時電離層校正，伴隨著最少數量的測地計算，能夠獲得完全的實時模糊解析。同時，它在與參考站相距多于100千米處在一個厘米級別上允許精確導航。
本發明的優選應用將會在未來的衛星導航系統，比如“GALLILEO”或“現代化GPS”中，其在不同頻段中實現了載波傳輸。
根據本發明方法的主要特征，具有優于一分米精確度的瞬時導航能力歸因于這樣的事實并不很復雜的“TCAR”類型的三載波相位模糊解析方法與實時電離層模型的確定相結合，以便能夠應用電離層校正。
本說明書中描述的示例性試驗表明了在等同條件下通過現有技術的方法而獲得的結果的顯著改善
-約60％或以下的瞬時(“單歷元”)成功率有所改善，在與最近固定地面參考站相距大于100km處，以及在難以產生電離層模型的條件下(在日光最強的正午時)，增加到約90％；
-該高效率在電離層校正中保持約5分鐘的反應時間；
-在數據集中，對于通過示例而保持的試驗條件，盡管有限數量的衛星可用，但是仍可在“單歷元”模式中同時實現相應的導航，并能夠對于東、北和垂直分量分別獲得3、5和2厘米的三維“RMS”值；
-在優選實施例中，實時模糊完整性測試能夠改善性能，因為簡單的偽距多路徑減少方案被并入該方法中；以及
-該良好性能在困難情形下也得到證實
-低緯度(35度取代48度)，具有較高電離層值。
-關于電離層“北赤道異常”之下熱帶站的極限條件，其中通常可產生最高梯度。在后者情況下，用戶需要產生其自有電離層濾波器供給，并將其與來自參考網絡和其自身電離層觀測的校正相結合。
-高動態，能夠提供精確的電離層校正，該校正可由與參考站相距約140km的飛行中的飛行器使用。
然而應當清楚，本發明不僅限于明確描述的、特別是與圖1至8相關的示例性實施例。
最后，數字表示的實例僅作為說明來提供，對于本發明的范圍部構成任何類型的限制。它們源于本領域技術人員的能力之內的簡單技術選擇。
表I
表II
表III
表IV
表V
表VI
權利要求
1.一種用于實時導航的方法，利用第一、第二和第三不同頻率的三載波無線電信號，所述頻率在數值上從所述第一頻率增加至所述第三頻率，以確定被稱為漫游者的用戶的位置，所述無線電信號是由繞地球沿軌道運行和觀察所述漫游者的衛星上安裝的給定數量發射器發射的，所述信號由與所述漫游者相關聯的接收器以及與稱為參考站的多個固定地面站中的至少一個地面站相關聯的接收器接收；所述無線電信號穿過圍繞地球的所謂大氣電離層，而且經歷在所述載波中產生相位模糊的擾動，其特征在于至少包括如下步驟
第一步驟，包括在所述漫游者(SUR)中，根據使用單個碼值的偽距組合，確定所述第三和第二載波之間相位差的所謂“超寬道”模糊；
第二步驟，包括在所述漫游者(SUR)中，根據所述第一步驟中確定的所述“超寬道”模糊，估計所述第一和第二載波之間相位差的所謂“寬道”模糊；
第三步驟，包括在所述漫游者(SUR)中，根據所述第二步驟中估計的所述“寬道”模糊，解析所述頻率之一的模糊；以及
附加步驟，用于在所述第三步驟中應用實時電離層校正，所述電離層校正基于所述電離層(CION)的連續更新的實時電離層模型。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，在所述第三步驟中，所述模糊解析是對所述第一載波頻率進行的。
3.根據權利要求1和2中任一項的方法，其特征在于，所述模型是所述電離層的描述性電離層模型，其由接收繞地球(GT)沿軌道運行和觀察地球的預定數量的所述衛星(SAT1-GPSE1至SATn-GPSEn)發射的信號的至少一個所述地面參考站(REF)來確定，所述信號包括至少兩個不同頻率載波，其中所述模型是根據來自所述發射信號的相位數據來確定的，以及其中包括用于發射與所述電離層模型對應的數據的步驟。
4.根據權利要求3的方法，其特征在于，所述電離層模型確定是根據對所述電離層(CION)中自由電子分布的估計來獲得的，其中該估計是通過將該電離層(CION)分解成被稱為“體素”的分解體積單位(Voxijk)的格子來近似進行的，其由所述電離層(CION)中傳播的所述信號的無線電輻射照射，其中該電離層電子密度分布在給定時刻被假定為恒定，以及其中所述確定是通過利用所謂Kalman濾波器、在由所述無線電輻射照射的每個所述體積單位(Voxijk)中平均電子密度的實時解析來獲得的。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于包括附加步驟，其包括將與所述電離層模型相關聯的數據與同時計算的測地數據組合，其中所述測地數據由稱為主站的所述固定地面參考站(REFM-REFME)中的僅一個計算，且被分發至所述多個固定地面參考站(REF)。
6.根據權利要求1的方法，其特征在于包括附加步驟，其包括在第一步驟中利用與所述三個載波相關聯的三個偽距碼，用于確定所述第三和第二載波之間相位差的所謂“超寬道”模糊。
7.根據權利要求2的方法，其特征在于包括附加步驟，其包括利用偽距和“寬道”碼以及所述第二頻率的代碼來進行完整性測試，以檢測與所述第一頻率的所述模糊解析中的誤差相關聯的跳越。
8.一種用于實現根據前述任一權利要求的方法的衛星導航系統，其特征在于包括多個衛星(SAT1-GPSE1至SATn-GPSEn)，繞地球(GT)沿軌道運行，每個衛星發射不同頻率的所述三載波信號；至少一個漫游者(SUR)，包括所述信號的接收器(SURGPS)和集成計算裝置，該集成計算裝置執行所述第一至第三步驟，并且整合從所述多個衛星(SAT1-GPSE1至SATn-GPSEn)發射的所述信號的無線電輻射所穿過的電離層區域的描述性電離層模型導出的所述電離層校正；多個固定地面站，稱為參考站(REF)，每一個包括接收由所述衛星發射的所述信號的接收器(REFGPS)、用于確定該電離層(CION)的所述描述性電離層模型的集成計算裝置、以及用于將對應于所述電離層模型的數據發射到漫游者(SUR)的所述接收器(SURGPS)的發射器(REFE)，其中稱為主站(REFM)的所述固定地面參考站中的至少一個包括所述多個衛星(SAT1-GPSE1至SATn-GPSEn)發射的所述信號的接收器(REFMGPS)、用于計算測地數據的裝置、以及用于將它們分發至所述多個固定地面參考站(REF)的發射器(REFME)。
9.根據權利要求8的系統，其特征在于，所述漫游者(SUR)位于與最近固定地面參考站(REF)相距大于100km的距離處。
全文摘要
本發明涉及一種實時導航方法，用于利用由衛星(SAT1－GPSE1至SATn－GPSEn)發射的具有三個不同頻率的三個載波來對漫游者(SUR)定位，以確定用戶位置。該方法包括第一步驟，包括確定超長路徑載波相位模糊；第二步驟，包括估計長路徑相位模糊；以及第三步驟，包括解析這些頻率之一的相位模糊。一個附加步驟包括在第三步驟中實時應用電離層校正，所述電離層校正是基于與由所謂主參考固定地球站(REFM－REFME)計算的測地數據組合的、由參考固定地球站(REF－REFE)計算的所述電離層的連續更新電離層模型。本發明還涉及用于實現該方法的系統。
文檔編號G01S1/00GK1726406SQ20038010613
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月16日 優先權日2002年12月19日
發明者曼紐爾·埃爾南德斯-帕哈雷斯, 何塞·米格爾·胡安-索諾薩, 豪梅·桑斯·蘇維拉納, 阿爾韋托·加西亞·羅德里格斯 申請人:歐洲空間局