專利名稱：運動物體定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用定位和導航衛星的運動物體定位系統及相應的接收裝置。德國專利說明書DE4136136C1公布這樣的一種系統和接收裝置。
現已采用一種稱為“全球定位系統(GPS系統)”、由衛星支持的方法用于運動物體的定位與導航。該法由所謂GPS衛星以例如1.575GHz的頻率發射其軌道數據和高精度時鐘時間。GPS衛星沿軌道運動時其位置相對于地面上的靜止點不斷變化。GPS接收機測量信號從衛星到接收機需要的時間，進而計算出它與各個GPS衛星的距離。因為GPS衛星的位置是已知的，所以能借助于4個GPS衛星計算出地球上接收機位置的空間座標及GPS接收機內部時鐘的誤差。但是，這樣只能達到約±100米的精度。因為這一精度對于許多應用是不夠的，現已采用下述方法提高精度(RTCM推薦的差分GPS業務標準，2.1版，第4章，1994年1月3日由美國海運業無線電技術委員會(RTCM)出版，地址655Fifteenth Street，NW，Suite 30，Washington D.C.20005，USA)，一個位置座標精確已知的參考GPS接收機求出誤差值并送出校正數據，運動的GPS接收機利用接收到的校正數據來校正它所求得的GPS測量數據。RTCM標準規定的校正數據的數據格式見上述文獻4-3和4-8頁并如下所述對應每個GPS衛星有各自的消息(“Message”)，其組成為一個比例因子(Scale Factor)、一個關于誤差范圍的說明(UDRE＝用戶差分距離誤差)、相關衛星的標志(Satellite ID)、所謂偽距離校正值(PRC＝偽距離校正)、校驗信號(奇偶校驗)、PRC數據的預計變化速度值(RRC＝速度-距離校正)和一個關于校正值與哪些軌道數據相關的說明(數據出處)。各個消息不間斷地連接成一序列，該序列被轉換為字的序列，每個字由30位組成，連接時不考慮各個“消息”之間的邊界。在每一“消息”序列前設置由2個30位長的字組成的序列頭，以標示每一序列的開始。序列頭的第一個30位字的開始是一入口符號串(段首標志)，其后為后繼信息類型(Message Type)標志、發射臺標志(Station ID)和一個校驗字(奇偶校驗)。序列頭的第二個30位字由以下各部組成時間信息(修改的Z計數)、序列號(SequenceNumber)、關于后繼“消息”總長度(幀長)的說明、關于發射臺的狀況(臺的運行狀況的說明)和一個校驗字(奇偶校驗)。
按照DE 4136136C1，利用無線電廣播機構的現有發射臺網來實時地傳送校正數據。校正數據按每37位為一組插入循環傳送的無線電-數據(RDS)信號的空閑組內，該信號組在無線電廣播節目信號內傳送而聽不到。因無線電數據系統的數據格式與上述GPS校正數據的數據格式不相匹配，需將每個序列的序列頭和后繼的“消息”按每37位為一組進行分組，然后分配給RDS信號循環中各個空閑的RDS組。這樣的分組方式使插入到一個RDS組中的內容是完全隨機的，不能加以標識。只有當每個序列的序列頭和后繼的“消息”所劃分的所有RDS組先后被無干擾地接收時，才能由這些組重新組成GPS校正數據的數據格式，也才能使用。即使僅僅丟失一個RDS組，例如在調頻接收機中干擾作用下丟失，便失去整個序列的信息，這意味著丟失該序列中全部(亦即所有相關GPS衛星的)“消息”的校正數據。此外，由于RDS系統本身的容量有限，在每一RDS循環(循環時間1秒)覆蓋3個RDS組的情況下，所有GPS衛星的校正“消息”(即一個序列)的傳送時間達幾秒鐘，這就使同時對所有GPS衛星算得的校正值隨著傳送時刻的向后推移而越來越失去及時性。隨著諸如其它業務對RDS系統容量的需求，RDS系統中供傳送校正值用的空閑容量越來越少，數據老化問題將相應地加劇。
本發明的目的在于改進上面所述的系統減小對傳送容量的需求、大大提高有干擾傳送條件下校正數據的可利用性以及提高所傳送的校正數據的及時性。此外本發明創建一個接收裝置，用以在接收端實現以上目標。
上述目的是通過本發明的系統和接收裝置所具備的特征實現的。
本發明的系統和接收裝置在結構上的好處和進一步改進的可能性是通過以下技術解決方案獲得的。
下面結合附圖所示實施例對本發明加以說明。附圖中
圖1為符合所謂“差分GPS”的現有定位系統的示意圖；圖2為本發明的系統中發送端結構方框圖；圖3為本發明的系統中接收端結構方框圖；圖4為反復傳送的RDS信號循環的數據格式示意圖，這個循環含有用于對一個GPS衛星進行校正的全部數據；圖5為偶爾傳送的RDS信號循環的數據格式示意圖，這個循環含有由接收到的GPS信號導出的時間信息(修改的Z計數)；圖6為RDS信號循環的數據格式示意圖，這個循環含有由接收到的GPS信號導出的數據標識信息(IOD)。
由圖1可見，該圖示出的定位系統依賴于所謂GPS衛星1至4。這些衛星繞地球運行，其相對于地面上靜止點的位置不斷改變。示出的GPS衛星個數僅是最低數，實際上有很多的GPS衛星繞地球運行，它們形成一個密集的網。
安裝在地面8上運動物體5內的GPS接收機120(圖3)可根據接收到的GPS信號11、21、31和41確定其空間座標，但精度僅為約±100米。其誤差一部分由系統產生、另一部分由大氣干擾引起。為提高測量精度，在所謂“差分GPS”系統中，在位置6上設有一個位置座標精確已知的、固定安裝的參考GPS接收和處理單元50。參考GPS接收與處理單元50由其接收到的GPS信號12、22、32和42以及已知的位置座標不斷地計算出誤差值。由這些誤差值按標準的數據格式構成校正數據7，該數據被實時地傳送給運動物體5的GPS接收機120。單元50由例如一臺或幾臺GPS接收機以及一臺后接的計算機組成。該計算機上的參考站軟件附帶也能輸出校正數據7。此外，單元50也可單獨由一臺GPS接收機組成，由集成的組件形成校正數據7。根據運動的GPS接收機120接收到的校正數據7，測得的瞬時位置座標可校正到精度達±1米。這些校正數據的數值僅在參考GPS接收與處理單元50周圍的一定范圍內有效。
為保證校正數據7的傳送能覆蓋其有效地域，規定本發明的系統在無線電廣播節目信號內傳送校正數據7。如圖2所示，由參考GPS接收與處理單元50經衛星接收天線51接收的GPS信號12至42求得座標(測量值)，但它們由于各種影響而具有誤差。通過與已知的接收天線51的精確位置座標比較，參考GPS接收與處理單元50產生標準格式的校正數據7。這些修正數據7由一后接計算機60進行處理并輸送給無線電廣播發射機80(調頻或調幅發射機)中的RDS編碼器70，RDS編碼器70以后面還要詳述的方法按規定格式將處理過的校正數據8插入RDS數據流中。如此填補后的RDS信號9加到無線電廣播節目信號內由無線電廣播發射機80經發射塔81發送，覆蓋一定的區域。
設在運動物體5上的無線電廣播接收機90(圖3)調諧到無線電廣播發射機80的載波頻率，通過其接收天線91在接收無線電廣播發射機80的無線電廣播節目信號時一并接收填補了處理過的校正數據的RDS信號9。在后接的RDS解碼器100從無線電廣播節目信號中分離出RDS信號9，加以解碼并輸送給計算機110，該計算機將處理過的校正數據8從RDS信號中分離出來，用以重新組成標準格式的校正數據7。重新組成的標準格式的校正信號7由計算機110輸送給物體5的GPS接收機120，該接收機經衛星接收天線119接收GPS信號11至41，由此導出座標測量值。在GPS接收機120內借助于重組的校正數據7對導出的座標測量值進行校正。經校正的座標值121由GPS接收機送給輸出裝置130。
在參考GPS接收與處理單元中形成的校正數據7符合前面所述標準，包含有分別對應于每一GPS衛星1、2、3、4的偽距離校正數據值(下面稱為PRC數據)，這些值對其計算的時刻適用。此外，在參考GPS接收與處理單元中形成的校正數據中還包含PRC數據的變動速度值。這些變動速度值在下面稱為RRC數據。由PRC和RRC數據可推算出晚于PRC數據計算時刻的實際時刻上的實時PRC值，所得到的實時PRC值的精度取決于被當作RRC數據的先前變動速度與實際變動速度的相符程度。
本發明利用調頻或調幅無線電廣播的無線電數據系統(RDS)來傳送校正數據7。該系統將RDS數據流調制到例如57KHz的副載波上，將之不可聞地插入調頻或調幅無線電廣播發射機節目信號的基帶。RDS數據流的數據格式為循環傳送的數據塊序列。由圖4可見，一個RDS循環包含較長的數據塊10、20、30和40，它們分別由一較短的校驗字10a、20a、30a和40a互相分開。通常4個數據塊10、20、30和40構成一個含有37位空閑數據容量的RDS組。在討論的圖4實施例中，按照歐洲RDS標準(CENELEC)EN50067較長的數據塊10和20包含節目標識碼PI和節目類型碼PTY。RDS組的空閑數據容量用來容納對應一個GPS衛星的校正數據，其中PRC數據則插入塊30，RRC數據與相關GPS衛星的標志(“衛星號”)、時間標記(“時間開關”)、比例因子及IOD標記(“IOD開關”)一同插入塊40。
為了將對應每個衛星的PRC和RRC數據的數據量縮減到RDS信號循環的一個組的數據容量即37位，GPS校正數據值的標準數據格式(參見前面所述差分GPS業務標準)不傳送序列頭及校驗字(奇偶校驗)。RTCM標準規定的校驗字(奇偶校驗)無疑可予刪略，因為RDS數據格式在每兩個較長數據塊之間的較短數據塊內已經包含格式所固有的校驗字。刪略序列頭意味著不再連續傳送有關計算全部衛星的校正數據值的時刻的信息(修改的Z計數)。為了既作此刪略而仍能隨時間地配置校正數據值，本發明在計算機60(圖2)中利用RRC數據倒算出前一整分時刻上的PRC數據值。這可用下面的例子加以說明在120111時刻，Z計數的值為71(在120000時刻后的60秒加11秒)。若PRC值為+10.32m，RRC值為+0.98m/s。
則當變動速度(RRC值)為+0.98m/s時，倒算到時刻120100(Z計數的值為60)上的PRC值為-0.46m(+10.32m減0.98m/s×11s)。
倒算的PRC數據與RRC數據一起作為處理過的校正數據8進行傳送。接收端的計算機110利用相關的RRC數據和計算機內部的Z計數重新把倒算的PRC數據推算到瞬時實際值。這可用下面的例子加以說明變動速度(RRC值)為+0.98m/s時，推算到時刻120112(Z計數的值為72)上的PRC值為+11.30m(-0.46加0.98m/s×12s)。
為了使計算機始終能無疑問地識別接收到的倒算PRC值適用于哪一整分鐘，在數據塊40中同時傳送前述時間標記(0＝偶數分；1＝奇數分)。此外，計算機內部的Z計數隨時(例如每分鐘1至2次)同時間信息(修改的Z計數)同步。該時間信息按照圖5所示方式與發射臺標志(Station ID)一同在數據塊30和40內偶爾被發送，而不占用圖4所示的數據塊。此外，在塊30和40中附帶發送標志IOD(數據標識)，這樣，用不同頻次向計算機110傳送該計算機所需的全部數據和標志，以便RDS數據流中得到的各部分信息重新組成標準格式的RTCM校正信號。計算機110根據它已知的奇偶校驗規則由接收到的各部分信息直接推導出標準的RTCM校正信號的奇偶校驗字，并按標準將其插入。
將對應每個衛星的校正數據縮減到37位，不但能在單個RDS組(37位容量)中傳送對應一個衛星的全部校正數據，對9個衛星而言，這意味著從原來的680位縮減到333(9×37位)；而且獲得了RDS數據格式與RTCM數據格式之間明確的、可重復的對應關系。因此，在現有技術水平上，由干擾造成的一個RDS組的丟失不再意味著丟失對應全部9個衛星的校正數據，而只是丟失受干擾的RDS組所對應的那個衛星的校正數據。
本發明的系統用這一方法可以大大提高傳送的抗干擾性。
為提高傳送的校正數據的及時性，在每次將PRC和RRC數據插入RDS組后，在計算機110中更新其余衛星的PRC和RRC數據。這樣可使校正數據的平均壽命比現有技術縮短一半以上。現有技術必須在同一時刻計算對應全部衛星的校正數據，而且由于分組插入RDS數據流，肯定不可能即時傳送出去。
提高數據及時性的另一可能方法是與變動速度(RRC)變化較大的PRC數據相比，其變動速度(RRC)保持相同或近似相同的那些PRC數據以較小的優先權插入RDS數據流。這樣，通過較快地用實時RRC值來更新誤差較大的先前RRC值，進一步提高了位置校正的精度。為在選擇衛星數據時實施上述這種優先權控制，在例如20秒的時間段內對每一衛星至少作兩次預測。一次預測以實時PRC和RRC值為依據，另一次預測以先前發送的PRC和RRC值為依據。多次預測中的偏差表示校正誤差，該誤差對于各個衛星可能是不同大小的，因此用這一誤差的大小作為決定優先權的判據。
權利要求
1.利用定位和導航衛星(GPS衛星1、2、3、4)的運動物體(5)定位系統，衛星不斷地改變其相對于地面上靜止點的位置并發送GPS信號(11、21，31，41)，這些信號能使安裝在運動物體(5)上的GPS接收機(120)確定其瞬時位置座標，系統具有-至少一臺供參考用的其精確位置座標已知的GPS接收和處理單元(50)，該單元由不斷接收到的GPS信號(12，22，32，42)和其位置(6)的已知位置座標連續不斷地計算出誤差值，并由此產生校正數據(7)，校正數據(7)包含有-適用于其計算時刻的偽距離校正值(PRC數據)以及-反映PRC數據瞬時變動速度的值(RRC數據)；-至少一臺帶有RDS編碼器(70)的無線電廣播發射機(80)，把產生的校正數據(7)作為插入其節目信號中的無線電數據系統信號(RDS信號)的數據發送出去；-一臺設置在運動物體(5)上帶有RDS解碼器(100)的無線電廣播接收機(90)，它用于接收帶有校正數據(7)的RDS信號并進行解碼；以及-一臺計算機(110)，用來從解碼后的RDS信號中分離出校正數據(7)，并將校正數據(7)饋入安裝在運動物體(5)上的GPS接收機(120)，該接收機根據分離出的校正值校正其測量結果，其特征是a)GPS接收與處理單元(50)后接一計算裝置(60)，該裝置-利用相應的變動速度值(RRC數據)把某一時刻算出的PRC數據倒算成前一整分時刻上的PRC數據值，并且-對每一GPS衛星，把倒算的PRC數據連同相應的RRC數據和相關衛星的標志插入RDS信號循環的單個RDS組中，并刪除GPS校正信號標準格式中的一序列頭；b)在無線電廣播接收機(90)的RDS解碼器(100)后接的計算機(110)中，利用相應的變動速度值(RRC數據)和計算機內部生成的時間信息(內部Z計數)從對應每個GPS衛星的倒算PRC數據推算出實際時刻上的PRC數據值，并且c)在計算機(110)中用校驗字和不斷的時間信息再建未予傳送的序列頭，并將它與對應每個衛星的推算PRC數據和相應的RRC數據一起組成校正數據(7)的標準格式。
2.如權利要求1所述的系統，其特征是每次把對應一個GPS衛星的處理過校正數據(8)插入RDS信號循環后更新所有衛星的PRC和RRC數據。
3.如權利要求1或2所述的系統，其特征是計算裝置(60)偶爾把由接收到的GPS信號導出的時間信息插入RDS循環的一個組中，該時間信息被計算機(110)用來對其內部生成的時間信息(內部Z計數)進行同步。
4.如權利要求1至3中任何一項所述的系統，其特征是計算裝置(60)偶爾把由接收到的GPS信號導出的數據標識信息(IOD)插入RDS信號循環的一個組中，該信息被計算機(110)用來重建標準格式的校正數據(7)。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的系統，其特征是計算裝置(60)不斷地對每一GPS衛星確定先前作為RRC數據傳送的變動速度與實時變動速度值的相符程度，并且，計算裝置(60)按照優先權控制原理把實時變動速度相符程度較差的衛星相應的校正數據優先于變動速度相符程度較好的衛星所對應的校正數據插入RDS信號循環。
6.用于借助定位和導航衛星(GPS衛星)對運動物體(5)定位的接收裝置，衛星不斷地改變其相對于地面上靜止點的位置并發送GPS信號，該信號能使安裝在運動物體(5)上的GPS接收機(120)確定其瞬時位置和高度座標，設置的接收裝置用于接收校正數據，校正數據由適用于其計算時刻的偽距離校正值(PRC數據)及反映PRC數據的變動速度的值(RRC數據)組成，校正數據作為插入無線電廣播節目信號中的無線電數據系統信號(RDS信號)的數據被發送，接收裝置具有-一個裝置(90，100)，用于不斷地接收帶有校正數據的RDS信號并進行解碼；以及-一臺計算機(110)，用來從解碼后的RDS信號中分離出校正數據，并把校正數據饋入安裝在運動物體(5)上的GPS接收機(120)，該接收機根據分離出的校正數據校正其測量結果。其特征是由于處理過的校正數據(8)中已將在某一時刻算得的PRC數據借助于相應的變動速度值(RRC數據)倒算成前一整分時刻上的PRC數據值，為充分利用校正數據(8)計算機(110)完成以下工作a)利用相應的變動速度值(RRC數據)和計算機內部生成的時間信息(內部Z計數)，把對應每個GPS衛星的倒算PRC數據推算成實際時刻上的PRC數據值，b)用校驗字和不斷的時間信息重建未予傳送的、標準的校正數據格式中規定的序列頭，并將它與對應每個GPS衛星的推算PRC數據和相應RRC數據一起組成標準的校正數據格式。
7.如權利要求6所述的接收裝置，其特征是偶爾插入RDS信號循環的一個組中的、從接收到的GPS信號導出的時間信息被計算機(110)用來使其內部生成的時間信息(內部Z計數)同步。
8.如權利要求6或7所述的接收裝置，其特征是偶爾插入RDS信號循環的一個組中的、從接收到的GPS信號導出的數據標識信息(IOD)被計算機(110)用來重建標準的校正數據(7)。
全文摘要
為減少差分GPS系統中校正數據所需的傳送容量,大大提高傳送過程中產生錯誤的情況下校正數據的可利用性,并提高傳送的校正數據的及時性,由參考GPS接收機(50)不斷接收的GPS信號(12,22,32,42)和其位置(6)的已知坐標不斷地計算出誤差值并由此產生校正值(7)。本發明設置一個計算裝置(60),它將在某一時刻計算出的校正值倒算成前一個整分時刻上的值。經計算裝置處理過的校正值(8)由至少一個無線電廣播發射臺(80)作為插入其節目信號中的無線電廣播數據信號(RDS信號)的數據加以發送。在用一攜帶的GPS接收機(120)測定其位置坐標的運動物體(5)上設置一個無線電廣播接收機(90),它后接RDS解碼器(100)和計算機(110)接收機和解碼器用來對帶有處理過的校正數據(8)的RDS信號進行接收和解碼,計算機(110)用來從已解碼的RDS信號中分離出校正數據(7)并將之推算成實際時刻上的值。此外,該計算機還重建符合RTCM標準的校正信號(7)。重建的標準校正數據饋入攜帶的GPS接收機,由其根據重建的校正數據(7)校正測量結果。
文檔編號G01S5/14GK1189892SQ96195205
公開日1998年8月5日 申請日期1996年8月31日 優先權日1995年9月1日
發明者沃爾夫岡·恩格爾梅爾, 沃爾特·林德斯特羅伊特, 保羅·拉芬, 斯特凡·桑德曼, 古恩特·舒馬克 申請人:蒂爾馬·克恩勒