專利名稱：衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位方法與系統(tǒng)尤其是全球定位系統(tǒng)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是從某一點(diǎn)到地球表面的衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位。
本發(fā)明推出的方法和系統(tǒng)適用于需要了解移動(dòng)臺(tái)在地球表面三維位置的各種技術(shù)領(lǐng)域，精確度為1厘米。例如大地測量學(xué)，地形測量學(xué)，地震測量學(xué)，水文地理學(xué)，機(jī)器人學(xué)等。
關(guān)于衛(wèi)星定位技術(shù)，尤其是全球定位系統(tǒng)(GPS)的概況，可參考法國專利2715230的導(dǎo)論部分。
我們還要提示一下，全球定位系統(tǒng)用兩個(gè)頻率發(fā)送，一般稱為L1和L2。
上述法國專利曾推出了一種無線電衛(wèi)星定位技術(shù)，該技術(shù)可以使操作員無須在運(yùn)動(dòng)學(xué)測定之前通過靜態(tài)測量進(jìn)行初始化預(yù)置而獲得厘米精確度的結(jié)果，即便在丟失衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，也無須返回最初的定位點(diǎn)。
主要描述的算法與使用單一的頻率L1系統(tǒng)相對應(yīng)。初始化相位并入一個(gè)快速收斂過程---可以是接收器及其接收天線在移動(dòng)中進(jìn)行---可以使隨后的運(yùn)動(dòng)在大約3至10分鐘后啟動(dòng)。這3至10分鐘是上述專利中表明的，對應(yīng)于單一頻率的運(yùn)行。
本發(fā)明對這一原理進(jìn)行了發(fā)展，它以新穎的方式使用系統(tǒng)的兩個(gè)頻率，可以減少幾秒鐘的初始化時(shí)間，尤其是在實(shí)施與上述專利所述的同一類型的收斂算法時(shí)，但不僅限于此例。
我們知道全球定位系統(tǒng)的星座衛(wèi)星發(fā)送頻率L1,L2分別是1575.42GHZ和1227.60GHZ，波長分別是19厘米和24.4厘米。
為了便于研究不確定性問題，按傳統(tǒng)的方式我們建議不直接使用以L1和L2頻率進(jìn)行的相位測量，而使用對應(yīng)于L3=L1-L2的測量的線性組合(根據(jù)英語術(shù)語，這一技術(shù)稱為寬帶“Wide-Laning”，專業(yè)人員都知道)。這個(gè)技術(shù)提供的特點(diǎn)是不確定性更大(L1不是19厘米，而是86厘米)。但阻止了噪聲的放大，且比率更大(在L1和L2的測量上，1.9厘米假設(shè)噪聲0.3厘米)。
本發(fā)明建議使用基頻L1和L2的線性組合，它產(chǎn)生更大的不確定性，并通過一種處理抵消線性組合所產(chǎn)生的很高的噪聲。
因此本發(fā)明推出了一種在地球表面定位的方法，在該方法中我們在已知的坐標(biāo)基準(zhǔn)站和定位點(diǎn)上移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)上同時(shí)接收到通過衛(wèi)星星座向地球方向在兩個(gè)頻率(L1和L2)上發(fā)送的無線電信號(hào)，然后進(jìn)行初始化處理，并通過初始化處理去除來自各個(gè)不同觀測衛(wèi)星的信號(hào)相位的不確定性，這樣初始化結(jié)束后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)處理，該運(yùn)動(dòng)學(xué)處理可在移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)時(shí)跟蹤信號(hào)相位環(huán)行，其特征是根據(jù)對應(yīng)于比衛(wèi)星星座發(fā)射頻率(L1和L2)波長更長的兩個(gè)表觀頻率的相位測量的線性組合，初始化處理進(jìn)行諸點(diǎn)坐標(biāo)的確定，且線性地組合源于這兩個(gè)頻率的每一個(gè)頻率上不確定性的測繪的位置，以便減少其噪聲。
正如我們所理解的那樣，我們在信號(hào)上進(jìn)行不確定性的測繪，其信號(hào)的頻率與長的波長相對應(yīng)，但是這些頻率的噪聲減少了，我們可以進(jìn)行安全的測定了。
在應(yīng)用全球定位系統(tǒng)的基本原理中，相位組合優(yōu)先與頻率L4=4L2-3L1和L4=4L1-5L2相對應(yīng)。
由這些組合產(chǎn)生的噪聲是相反的符號(hào)，比率為1.43，這樣噪聲通過下列線性組合得以抵消X=(1.43XL4+XL5)/2.43Y=(1.43YL4+YL5)/2.43Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43其中XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5是對于該點(diǎn)根據(jù)頻率L4和L5上相位測量確定的坐標(biāo)。
此外，我們通過以下的比較大大改善了最終結(jié)果的有效性，這是通過將處理開始的瞬間t0和當(dāng)前瞬間t1之間的所測量位相的變化與自確認(rèn)點(diǎn)起這些同樣瞬間之間的所計(jì)算的移動(dòng)臺(tái)-----衛(wèi)星距離的變化進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的。與法國專利2715230所述的余數(shù)變化的測試相比較，該測試的優(yōu)越性是進(jìn)行相位整體測量，而不是僅對其部分進(jìn)行測量。這樣大大提高了靈敏性和運(yùn)行的可靠性。
此外，為了充分開發(fā)使用L1和L2兩個(gè)頻率產(chǎn)生的性能，我們進(jìn)行了電離層延遲的校正處理。該處理適用于所有的計(jì)算相位初始的和運(yùn)動(dòng)學(xué)的。我們利用的結(jié)果是兩個(gè)頻率L1和L2上所觀察到的電離層延遲與頻率的平方成反比。這樣我們通過將下列關(guān)系式用于計(jì)算的位置來補(bǔ)償該延遲的作用X=(1.65XL1-XL2)/0.65Y=(1.65YL1-YL2)/0.65Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65其中XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是根據(jù)對頻率L1和L2進(jìn)行相位測量所計(jì)算出的坐標(biāo)。
對余數(shù)的計(jì)算也使用同樣的原理。
這種計(jì)算的新穎性是用于結(jié)果，而不是用于測量。
下文中還敘述了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)越性。下文所述僅僅是一個(gè)范例，可以不限于此例。閱讀下文須參考附圖。
附

圖1是本發(fā)明一種實(shí)施方式的示意圖。
附圖2通過方框圖表示了實(shí)現(xiàn)符合按本發(fā)明的操作方式的方法的處理。
附圖1中表示的定位系統(tǒng)主要有一個(gè)固定站1，位于已知坐標(biāo)點(diǎn)上，一個(gè)操作員要在所定位的點(diǎn)移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)2。站1和移動(dòng)臺(tái)2分別裝有設(shè)備3以便接收來自NAVSTAR星座全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的信號(hào)。該設(shè)備3是專業(yè)人員知道的，設(shè)備上都裝有全球定位系統(tǒng)的接收天線和信號(hào)解調(diào)裝置。
基站1同樣也裝有設(shè)備4，以便用無線電頻率向移動(dòng)臺(tái)2發(fā)送信息。
移動(dòng)臺(tái)2帶有接收器5，以便接收從站1發(fā)送器4發(fā)送的信息。
站1和移動(dòng)臺(tái)2的接收器3記錄從每個(gè)觀測衛(wèi)星接收到的信號(hào)載波相位。這樣站1接收到的數(shù)據(jù)通過發(fā)射器4被傳送到移動(dòng)臺(tái)2。
基站1不進(jìn)行任何計(jì)算，僅僅把接收到的信號(hào)傳送給移動(dòng)臺(tái)2。
基站1接收到的信號(hào)和移動(dòng)臺(tái)2接收到的信號(hào)的相位差，以及由表現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)2的單元U所寫的內(nèi)容得到處理以便去除相位的不確定性，確定移動(dòng)臺(tái)2的位置，了解基站1的位置以及所觀測衛(wèi)星的星歷表。
移動(dòng)臺(tái)2帶有顯示器2a，所計(jì)算的坐標(biāo)就被傳送到顯示器2a上。移動(dòng)臺(tái)2還裝有記錄這些坐標(biāo)的設(shè)備和一個(gè)鍵盤(沒有表示出來)，這樣當(dāng)天線定位于定位點(diǎn)時(shí)，操作員可以控制所顯示出的所計(jì)算坐標(biāo)的存儲(chǔ)。
單元U進(jìn)行的處理按圖2中的方框圖操作。
在第一個(gè)步驟(步驟6)中，單元U確定接收到的無線電衛(wèi)星信號(hào)的質(zhì)量。
當(dāng)信息不足時(shí)，消息7則顯示在移動(dòng)臺(tái)2的設(shè)備2a上。
相反，如果信息充足，單元U進(jìn)行快速的初始化處理8，然后是運(yùn)動(dòng)學(xué)連續(xù)的處理9。
處理8主要有三個(gè)步驟，這三個(gè)步驟是---確定相鄰近的明確位置(步驟10)---在一個(gè)確定的點(diǎn)上進(jìn)行再定位處理(步驟11)---有效性測試(步驟12)在步驟10中，組合專行人員熟知的頻率L1和L2和在“P”碼上進(jìn)行測量而提取的偽距離的頻率的三個(gè)相差值的使用，對相鄰近的明確位置進(jìn)行確定處理。這個(gè)步驟根據(jù)上述方法修正電離層校準(zhǔn)的結(jié)果。
在步驟11中，通過快速收斂進(jìn)行校準(zhǔn)過程，它與法國專利2715230是對應(yīng)的，可以參照法國專利。
但是，過程的實(shí)施首先不再是如上述專利所述在頻率L1，而是通過使用頻率L1和L2的線性組合，產(chǎn)生波長更大的表觀頻率L4和L5。已選擇的線性組合4L2-3L1和4L1-5L2與L4的波長1.64米和L5的波長1.83米相對應(yīng)，假設(shè)L1上為3毫米。L2上為4毫米，它對L4產(chǎn)生的噪聲放大率是12.9厘米，對L5產(chǎn)生的噪聲放大率是18.5厘米。不直接使用受這些很高噪聲損害的位置L4和L5的結(jié)果，而使用專門的線性組合，它幾乎完全可以去掉噪聲。
用L4和L5的確定值，L4和L5上的相位測量產(chǎn)生的噪聲是相反的符號(hào)，比率為1.43。
如果我們將XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5稱作L4和L5上相位測量所確定點(diǎn)的坐標(biāo)，不產(chǎn)生傾斜的一點(diǎn)由以下公式給出X=(1.43XL4+XL5)/2.43Y=(1.43YL4+YL5)/2.43Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43上述處理可在非?？斓臅r(shí)間內(nèi)(幾秒鐘至10幾秒，安全性99.9％)初始化移動(dòng)臺(tái)的被計(jì)算的位置。
上文給出的頻率L4和L5的值是適合于全球定位系統(tǒng)的，但是其它值當(dāng)然可以考慮。
初始化步驟結(jié)束時(shí)，通過實(shí)施電離層誤差效果的校正技術(shù)，確定一個(gè)再定位點(diǎn)。
事實(shí)上我們知道電離層延遲與工作頻率的平方成反比。
得出的結(jié)果是兩個(gè)頻率間電離層的延遲與給出的關(guān)系相符，如L2和L1之間的電離層延遲是1.65。
在遠(yuǎn)距離中(即超出10公里)，電離層延遲常常是誤差的主要原因。
在這種情況下，一旦測出消除這兩個(gè)頻率上的不確定性，對兩個(gè)頻率計(jì)算的殘留誤差的觀測表明了偏差的比率。例如δXL2=1.65δXL1δYL2=1.65δYL1δZL2=1.65δZL1此外，每個(gè)衛(wèi)星上觀測到的余數(shù)是處于同一關(guān)系。由于在上游沒有電離層錯(cuò)誤的校正，在干擾相干性測試時(shí)，這些余數(shù)可以增高。但是當(dāng)余數(shù)由于電離層的延遲而增高時(shí)，下列復(fù)合余數(shù)實(shí)際等于0。
Res=(0.65＊ResL1-ResL2)/0.65其中ResL1和ResL2是L1和L2上的余數(shù)。
因此，在動(dòng)態(tài)測定時(shí)，步驟15或動(dòng)態(tài)確定時(shí)實(shí)施的余數(shù)測試的實(shí)施最好用這樣的復(fù)合余數(shù)，即便是在電離層強(qiáng)烈干擾時(shí)，它可用于位置線的相干性測試。該技術(shù)的實(shí)施可用于距離超過通常被視為最大限度的10公里的系統(tǒng)。
相近點(diǎn)測定后，通過步驟10和11的處理進(jìn)行再定位，然后在步驟12中進(jìn)行有效性測試，尤其是余數(shù)檢查測試13(也稱為相干性測試)，與法國專利2715230所述相似，并進(jìn)行從位置有效后測量和所計(jì)算距離的被比較的變化的測試14。
在測試14中，將對應(yīng)于在處理開始的瞬間t0與當(dāng)前的瞬間t1之間測量的相位的變化與移動(dòng)臺(tái)-衛(wèi)星在這兩個(gè)瞬間的理論距離進(jìn)行比較。
這兩個(gè)變化之間的鑒別只能在真實(shí)點(diǎn)上核實(shí)。
這樣有效性的測試，不僅側(cè)重發(fā)射相位的功能部分，還側(cè)重其環(huán)行數(shù)，使其更靈敏。并且可以探測在開始瞬間和當(dāng)前瞬間之間在所測量的距離中的某個(gè)或另一個(gè)之上可能發(fā)生的環(huán)行跳躍。
在運(yùn)動(dòng)學(xué)處理(步驟9)期間，僅借助頻率L1和L2計(jì)算一個(gè)點(diǎn)。
連續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)位置的有效性測試在每次計(jì)算都要返回到步驟12，以便進(jìn)行余數(shù)檢查測試以及相位變化檢查測試。
同樣在這個(gè)運(yùn)動(dòng)期間，通過按以下公式計(jì)算坐標(biāo)X,Y,Z，得以確定L1和L2上的位置坐標(biāo)，關(guān)系式如下X=(1.65XL1-XL2)/0.65Y=(1.65YL1-YL2)/0.65Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65這樣也考慮到電離層的誤差。上述關(guān)系式中的XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是L1和L2上觀測到的相位的測量所確定的坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1．通過從一點(diǎn)到地球表面的定位方法，在已知坐標(biāo)基準(zhǔn)站和一個(gè)要定位的點(diǎn)上移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)上同時(shí)接收到通過衛(wèi)星星座向地球方向以頻率(L1和L2)發(fā)射的無線電頻率信號(hào)，然后進(jìn)行初始化處理并通過初始化處理去除來自各個(gè)觀測衛(wèi)星的信號(hào)的相位的不確定性，并進(jìn)行初始化結(jié)束后的運(yùn)行學(xué)處理可以在移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)時(shí)跟蹤信號(hào)相位環(huán)行，其特征是根據(jù)對應(yīng)于比衛(wèi)星星座發(fā)射頻率(L1和L2)波長更長的兩個(gè)表觀頻率(L4和L5)的相位測量線性組合，初始化處理確定諸點(diǎn)的坐標(biāo)，且線性地組合源于這兩個(gè)頻率的每一個(gè)頻率上的不確定性的測繪的位置，以便去掉噪聲。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的全球定位系統(tǒng)的無線電定位方法，其特征在于相位測量在頻率L4=4L2-3L1和L5=4L1-5L2上進(jìn)行，其中L1和L2是全球定位系統(tǒng)的兩個(gè)發(fā)射頻率，我們用下式計(jì)算某一點(diǎn)的非干擾坐標(biāo)X,Y,ZX=(1.43XL4+XL5)/2.43Y=(1.43YL4+YL5)/2.43Z=(1.43ZL4+ZL5)/2.43其中XL4,YL4,ZL4和XL5,YL5,ZL5都是根據(jù)頻率L4和L5的相位測量為該點(diǎn)確定的這一點(diǎn)的坐標(biāo)。
3．根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在初始化處理期間或運(yùn)動(dòng)學(xué)處理期間，進(jìn)行位置有效性測試，該測試將對應(yīng)于處理開始的瞬間t0和當(dāng)前瞬間t1之間的所測量相位變化和自確認(rèn)點(diǎn)起這兩個(gè)瞬間之間所計(jì)算的移動(dòng)臺(tái)一衛(wèi)星的理論距離變化的比較。
4．根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在初始化處理期間或運(yùn)動(dòng)學(xué)處理期間，在所計(jì)算位置上進(jìn)行電離層延遲校準(zhǔn)處理。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在兩個(gè)頻率Li和Lj的相位測量上計(jì)算余數(shù)ResLi,ResLj，還計(jì)算復(fù)合余數(shù)Res=(λ*ResLi-ResLj)/(λ-1)
6．根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在連續(xù)運(yùn)動(dòng)期間按如下計(jì)算確定某點(diǎn)的坐標(biāo)X,Y,Z,X=(1.65XL1-XL2)/0.65Y=(1.65YL1-YL2)/0.65Z=(1.65ZL1-ZL2)/0.65其中XL1,YL1,ZL1和XL2,YL2,ZL2是與頻率L1和L2的相位測量相對應(yīng)的坐標(biāo)。
全文摘要
通過從一點(diǎn)到地球表面的定位方法,可在已知坐標(biāo)基準(zhǔn)站和一個(gè)要在定位點(diǎn)移動(dòng)的物體上同時(shí)接收到通過衛(wèi)星星座向地球方向以頻率(L1和L2)發(fā)射的無線電頻率信號(hào),然后進(jìn)行初始化處理從而去除來自各個(gè)觀測衛(wèi)星的信號(hào)的相位不確定性。這樣,初始化結(jié)束后的運(yùn)動(dòng)學(xué)處理可以在移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)時(shí)跟蹤信號(hào)相位環(huán)行,根據(jù)對應(yīng)于比衛(wèi)星星座發(fā)射頻率波長更長的兩個(gè)表觀頻率的相位測量線性組合,初始化處理確定點(diǎn)坐標(biāo)。
文檔編號(hào)G01S5/14GK1210984SQ98103299
公開日1999年3月17日 申請日期1998年6月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月17日
發(fā)明者雷內(nèi)·皮埃爾·亨利·古農(nóng) 申請人:達(dá)索爾特·塞爾塞導(dǎo)航定位公司