专利名称：带有时钟差建模的多gnss信号处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)领域。更具体地说，本发明涉及使用多GNSS 和/或采用FDMA的GNSS的模糊度解算。尤其是，基本上改进了使用GPS和GL0NASS信号的结合的固定模糊度载波相位定位。
背景技术：
2005年5月12日公布的Vollath的美国专利申请US 2005/0101248A1公开了用于三个或三个以上载波的GNSS信号模糊度估计。在Kozlov等人的1999年6月22日的美国专利5，914，685以及Kozlov等人的2001年5月8日的美国专利6，229，479B1中，描述了既使用GPS载波相位测量又使用GL0NASS载波相位测量的相对位置测量技术。在Rog等人2002年8月27日的美国专利6，441，780B1中描述了使用GL0NASS和GPS系统的信号的接收机。在Vorobiev等人2004年5月4日的美国专利6，731，701B2中描述了用于GPS和 GL0NASS弱信号跟踪的导航数据预测。使用多GNSS和/或采用FDMA的GNSS的用于模糊度解算的改进方法和装置是所期望的，这将从以下描述变得清楚。

发明内容
图1示意性示出使用两个GNSS(110，120)、基准站130和流动站140的情况。可以使用一个或多个附加的基准站150。GNSS 120具有两个载波Ll和L2。基准站130和流动站140 (如果提供基准站150，则还有基准站150)从第一 GNSS的任意数量的卫星(例如
卫星110-1、110-2........110-N)以及第二 GNSS的任意数量的卫星(例如卫星120-1、
120-2........120-M)接收GNSS信号。将根据在接收机处(例如在基准站和流动站140
处)收集的GNSS信号数据来确定距每一卫星的各个伪距PR1、PR2等。例如，可以使用具有大约一米的误差的GPS C/A码来确定伪距。不使用仅军用的 P/Y码的民用GPS接收机以几米范围内的误差来确定流动站位置。然而，可以以0. 01-0. 05 周的精度(与2mm至Icm的伪距误差对应)来测量Ll载波和L2载波的相位，从而允许通过载波模糊度的适当估计而以几毫米至几厘米的范围内的误差来估计流动站的相对位置。对来自多个GNSS的信号的结合处理(例如结合的GPS+GLONASS RTK处理)在算法方面有一些特殊问题待解决。这些问题包括:A.时钟差、B.频率依赖性偏差、以及C.部分固定。A.时钟差。GNSS间数据(例如GPS和GL0NASS数据)的时钟误差可以相差几米到几十米，这取决于所使用的接收机硬件。图2A是GNSS110的时钟误差偏差St1和GNSS 120的时钟误差偏差St2对时间的典型图线。St1和δ t2的值在与几十米的误差对应的范围上变化，并且不可一历元(印och) —历元地预测。现有技术对St1和St2独立地建模。 由于预先不知道时钟误差，因此必须对它们建模。一种建模方法是，将GPS时钟误差和GL0NASS时钟误差分别对待，即，作为两个完全无关的时钟误差。这样的结果是，需要第二基准卫星，即，一个基准卫星用于GPS，一个基准卫星用于GL0NASS。这样有两个不利结果超定更糟糕，并且必须可获得来自至少6个卫星(对于每一 GNSS，至少2个卫星)的信号以获得动态RTK解。数据分析已经示出两个GNSS的不同时钟误差之间的差随着时间而保持得相当恒定，并且可以是依赖于温度的。这说明，在载波相位测量的情况下，对于毫米级别，稳态估计是可能的。这样的优点是，更快地转换所有估计过程。图2B是在时钟误差偏差St1和 S、之间的差Δ伪对时间的图线。与St1和St2的大的改变相对照，GNSS间的偏差Δ伪是一历元一历元地相一致的，在与几毫米误差对应的范围上变化，并且与接收机硬件的温度相关。对于双GNSS系统，本发明实施例对St1和Δ伪建模。对于三GNSS系统，本发明实施例对δ、和两个GNSS间偏差Δ伪2= ^t1- dtMRAdt3= St1- Si3建模。时钟误差差值建模要求对于GPS和GL0NASS，原始接收机时钟误差尚未独立地改变。如果例如在RTCM 2. 3格式消息类型20/21中，接收机时钟误差将被独立地确定并且其后被从观测中移除，则将出现这种情况。过去，某些接收机要求从GPS和GL0NASS观测值中移除相同的接收机时钟误差。RTCM 2. 3标准没有包括对GPS和GL0NASS之间的接收机时钟误差处理的限制。然而，现有基准站软件应该对其进行正确处理，并且其它格式没有这个问题。来自其它源的可用的时钟误差差值没有解决不同时钟误差的问题。在任意事件中，它们仅在分米到米的级别上是精确的，并且因此不可应用于载波相位定位。B.频率依赖性偏差。GL0NASS的另一问题是频率依赖性偏差。这些偏差发源于固有地频率依赖性硬件、滤波器和其它元件中。(带通)滤波器总是引入频率依赖性偏差，该频率依赖性偏差可以在数学上推导。另一影响是这样的事实，即模糊度的绝对级别很要紧 在该绝对级别中的误差还生成频率依赖性误差。当来自不同制造商的接收机的数据被结合时，与硬件有关的问题被极大地放大，导致不可靠的定位。图3示出两个GNSS (110、320)、基准站130和流动站140的情况。可以使用一个或多个附加基准站150。GNSS 320是FDMA系统，例如GL0NASS。存在多个频率依赖性误差来源，包括GNSS 320的卫星，每一卫星在不同频率上进行发送；接收机滤波器硬件，其引入频率依赖性偏差；信号处理，其引入频率依赖性偏差。根据本发明这个方面的实施例，直接在滤波器处理中对依赖于频率/波长的误差进行建模。初始测试示出当来自不同制造商的接收机的数据被结合时至少量级的可靠性增加，使得能够操作为混合的系统(例如具有来自不同制造商的GNSS接收机的系统)。因此，可以用来自一个制造商的接收机来扩大来自另一制造商的接收机的现有网络，而不会由于频率依赖性偏差而导致结果退化。C.部分固定。部分固定方法通过固定所跟踪的卫星的子集而不是卫星的全集来增加可用性(减少定位时间)和可靠性。图 4 示出两个或更多 GNSS 110、320、410(例如分别是 GPS、GL0NASS 和 GALILEO)、 基准站130和流动站140的情况。可以使用一个或多个附加的基准站150。在图4的示例中，GNSS 320是FDMA系统，但FDMA并非必须；部分固定将对于任意一个或多个GNSS (例如对于GPS、GL0NASS和未来GALILEO的任意一个或任意结合)起作用。与使用来自GNSS的子集或GNSS内的卫星的子集的数据相比，可能更不期望使用来自多GNSS的所有卫星的信号的数据。与正确固定较小的子集相比，通常更不可能同时正确固定大量模糊度。根据本发明这个方面的实施例逐历元地确定GNSS/卫星的哪个/哪些结合是最佳的。根据本发明的实施例解决了在向用户提供一个或多个频率的当前和未来GNSS系统(例如GPS、GL0NASS和未来GALILEO)中对载波相位模糊度解算的需要。在现实物理模型上采用高效计算技术，以获得载波相位模糊度的良好近似。根据本发明的实施例可以提供一个或多个优点以较短时间段固定模糊度，从而可以更快地提供厘米级别的位置；增加了模糊度解算的可靠性，使得被报告具有厘米级精度而实际上仅处于分米级或更差的位置的百分比最小；以及/或者在使得能够基本不同的硬件的情况下混合来自GNSS接收机的观测结果。


图1示意性示出使用具有根据本发明某些实施例而建模的不同时钟误差偏差的两个GNSS的情况；图2A是图1的两个GNSS之一的时钟误差偏差对时间的典型图线；图2B是图2A的时钟误差偏差之间的差对时间的图线；图3示出两个GNSS的情况，所述两个GNSS之一是具有根据本发明某些实施例而建模的频率依赖性偏差的FDMA系统；图4示出两个或更多GNSS的情况，其中，可以根据本发明的某些实施例而采用部分固定法；图5是根据本发明某些实施例的信号数据处理的流程图；图6是示出根据本发明某些实施例的伪观测技术的流程图；图7是示出根据本发明某些实施例的条件方差技术的实施例的流程图；图8A示出在图5的过程的变型中使用卡尔曼滤波器(Kalman-filter)状态向量；图8B示出在两个GNSS的情况下在图5的过程的变型中使用卡尔曼滤波器状态向量；图9是根据本发明某些实施例用于以因式分解的载波模糊度解算滤波器来处理多GNSS的装置的框图；图10是与图9对应的因式分解的载波模糊度解算处理的流程图；图11示出对于图5过程的变型中的第一实现方式的卡尔曼滤波器状态向量的使用，所述卡尔曼滤波器状态向量具有用于波长/频率依赖性因子的状态；图12示出对于在图5过程的变型中的第二实现方式的卡尔曼滤波器状态向量的使用，所述卡尔曼滤波器状态向量具有用于模糊度估计误差的状态；图13是根据本发明某些实施例的利用因式分解的载波模糊度解算滤波器来处理多GNSS的装置的框图；图14是与图13对应的因式分解的载波模糊度解算处理的流程图；图15A是根据本发明某些实施例的部分固定方法的流程图15B是根据本发明某些实施例的可替换的部分固定方法的流程图；图16A示出根据本发明某些实施例的部分固定如何可以减少固定时间的示例；图16B示出根据本发明某些实施例的部分固定如何防止固定生效但错误 (validated-but-wrong)白勺完i角军；图17是其中可以实现所述发明构思中的一个或多个的实施例的多GNSS接收机的示意图；以及图18是示出使用所述发明构思中的一个或多个来增强在被提供有来自基准站的数据的流动站中的处理的示意图。
具体实施例方式A.构思概述通过定义观测方程，即GNSS观测结果(在信号数据中表示的测量结果)如何与将要确定的未知(状态)相关，来开始熟知的浮点解。该文档中所使用的载波相位观测方程是用于由接收机r从卫星s所接收到的信号的，卫星s是GNSS gi中的成员。所使用的载波频段(例如Lp L2、L5)以b来表示。
(1) 在此，R/指的是卫星s与用户接收机r之间的距离
P
(2) 其中，冗是卫星s的位置，冗是用户接收机r的位置 Pr =
Jr \ Zr /
(3)此外，6tgi，r是GNSS gi的用户接收机r的时钟误差，T/是在用户接收机r处的来自卫星s的信号中的对流层误差，bIrs是在用户接收机r处的来自卫星s的频段b的信号中的电离层误差，以及bNrs是从卫星s到用户接收机r的频段b的整数波长的数量。在用户接收机与基准接收机数据之间的单差操作估计卫星特定的时钟误差δ ts 和特定GNSS卫星特定的时钟误差，其包括
= Δ^
,+ ASrg
+《-Wr，q
’ -tMbNsr,q 在此，
Δ冰,冰-身
(4)
权利要求
1.一种处理从接收自两个或两个以上GNSS的卫星的信号中导出的信号数据的方法， 每一 GNSS具有各自的时钟误差，所述方法包括从所述信号数据中估计卫星特定的时钟误差；在对所述卫星特定的时钟误差的估计之后，将由状态向量定义的滤波器应用于所述信号数据以估计载波模糊度的集合，其中，所述状态向量包括第一时钟误差状态，其表示第一 GNSS的时钟误差；以及第二时钟误差状态，其表示在所述第一 GNSS的时钟误差与第二 GNSS的时钟误差之间的差。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述状态向量进一步包括表示每一站的位置的状态，以及表示对于至少一个载波频率结合的载波模糊度的状态，所述方法进一步包括将每一 GNSS的一个卫星选择作为基准卫星，并且约束所述载波模糊度。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述滤波器是应用于所述单差数据的因式分解滤波器集合的几何滤波器。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述状态向量进一步包括第三时钟误差状态，其表示在所述第一 GNSS的时钟误差与第三GNSS的时钟误差之间的差。
5.如权利要求1所述的方法，其中，至少一个GNSS包括FDMAGNSS，并且其中，所述状态向量进一步包括表示用于每一FDMA GNSS的每一频段的波长/频率依赖性因子的状态。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述波长/频率依赖性因子表示对基准波长的差。
7.如权利要求6所述的方法，其中，一个GNSS包括GL0NASS系统，并且其中，所述波长 /频率依赖性因子表示对GL0NASS波长的差。
8.如权利要求5所述的方法，其中，所述FDMAGNSS的每一卫星具有唯一载波频段，并且其中，对于给定卫星的波长/频率依赖性因子是基于所述给定卫星的唯一载波频段的系数。
9.如权利要求5所述的方法，进一步包括，从所述信号数据中确定对于所有卫星的整数模糊度的完备集合；确定所述完备集合的整数模糊度的有效性以及对于所述完备集合的至少一个质量测量；对于所述卫星的多个子集中的每一子集，确定整数模糊度的部分集合； 对于所述部分集合中的每一个，确定所述部分集合的整数模糊度的有效性以及对于所述部分集合的至少一个质量测量；以及从被确定为有效的完备集合和部分集合之中，选择质量测量为最优的集合作为正确集I=I ο
10.如权利要求9所述的方法，其中，所选正确集合包括部分集合，所述方法进一步包括以另一集合或部分集合的整数模糊度来增广所述所选正确集合。
11.一种装置，包括处理器，所述处理器用于处理从接收自两个或两个以上GNSS的卫星的信号中导出的信号数据，每一 GNSS具有各自的时钟误差，所述装置包括用于从所述信号数据中估计卫星特定的时钟误差的指令；用于在对所述卫星特定的时钟误差的估计之后，将由状态向量定义的滤波器应用于所述信号数据以估计载波模糊度的集合的指令，其中，所述状态向量包括第一时钟误差状态，其表示第一 GNSS的时钟误差；以及第二时钟误差状态，其表示在所述第一 GNSS的时钟误差与第二 GNSS的时钟误差之间的差。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述状态向量进一步包括表示每一站的位置的状态，以及表示对于至少一个载波频率结合的载波模糊度的状态。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述滤波器是应用于所述单差数据的因式分解滤波器集合的几何滤波器。
14.如权利要求11所述的装置，其中，所述状态向量进一步包括第三时钟误差状态， 其表示在所述第一 GNSS的时钟误差与第三GNSS的时钟误差之间的差。
15.如权利要求11所述的装置，其中，至少一个GNSS包括FDMAGNSS，并且其中，所述状态向量进一步包括表示用于每一 FDMA GNSS的每一频段的波长/频率依赖性因子的状态。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述波长/频率依赖性因子表示对基准波长的差。
17.如权利要求16所述的装置，其中，一个GNSS包括GL0NASS系统，并且其中，所述波长/频率依赖性因子表示对GL0NASS波长的差。
18.如权利要求15所述的装置，其中，所述FDMAGNSS的每一卫星具有唯一载波频段， 并且其中，对于给定卫星的波长/频率依赖性因子是基于所述给定卫星的唯一载波频段的系数。
19.如权利要求15所述的装置，进一步包括用于以下操作的指令 从所述信号数据中确定对于所有卫星的整数模糊度的完备集合；确定所述完备集合的整数模糊度的有效性以及对于所述完备集合的至少一个质量测量；对于所述卫星的多个子集中的每一子集，确定整数模糊度的部分集合； 对于所述部分集合中的每一个，确定所述部分集合的整数模糊度的有效性以及对于所述部分集合的至少一个质量测量；以及从被确定为有效的完备集合和部分集合之中，选择质量测量为最优的集合作为正确集I=I O
20.如权利要求19所述的装置，其中，所选正确集合包括部分集合，所述指令进一步包括用于以另一集合或部分集合的整数模糊度来增广所述所选正确集合的指令。
21.一种计算机可读介质，程序被具体化在所述计算机可读介质上，其中所述程序包括适用于使得处理器执行如权利要求1所述的方法的指令。
全文摘要
提出了三种新方法，用于改进多个全球卫星导航系统(GNSS)的浮点解和模糊度解算，所述多个GNSS中的一个可以是基于FDMA的GNSS(例如GLONASS)，所述三种方法包括(1)对两个(或两个以上)不同GNSS之间的与硬件有关的不同时钟误差进行建模；(2)对频分多址(FDMA)GNSS中呈现的频率依赖性偏差进行建模；以及(3)被称为记分牌部分固定(SPF)的模糊度解算方法。所提出的方法独立于对于每一卫星导航系统所跟踪的载波频率的数量。该应用产生更快更可靠的模糊度解算。与因多GNSS而常导致退化性能的已知算法对照，以十分高效的方式利用了多GNSS的结合观测的优点。已经发现，例如，对于处理来自不同制造商的GNSS接收机的信号，利用来自基本相异的硬件的结合的GNSS观测，频率依赖性偏差的方法很有效。
文档编号G01S19/44GK102353936SQ201110250769
公开日2012年2月15日 申请日期2006年9月26日 优先权日2005年10月3日
发明者K·D·杜塞, U·沃尔拉特 申请人:天宝导航有限公司