專利名稱：完整的校正策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，尤其涉及通過提供電離層、對流層、相對論效應(yīng)及衛(wèi)星載具的偏移與漂移(dtsv)、地球自轉(zhuǎn)及其他校正信息來遠程輔助導(dǎo)航衛(wèi)星接收機操作的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機對接收到的幾個地球軌道衛(wèi)星信號作出測量，確定用戶位置、速度及其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)。由于接收機與衛(wèi)星時鐘沒有精確同步，這種時鐘偏移在確定到衛(wèi)星的距離時會引起錯誤。這樣的表面距離稱為“偽距離”(PR)。通過假設(shè)在一個測量單元內(nèi)到不同衛(wèi)星的所有偽距離有相同的時鐘偏移可以計算出時鐘錯誤。因此位置定位需要四個衛(wèi)星，三個用于計算緯度、經(jīng)度與高度，即(X、Y、Z)，一個用于計算時鐘偏移。
計算到衛(wèi)星的距離時出現(xiàn)的其他錯誤是由無線波傳播速度與地球自轉(zhuǎn)引起的。傳播條件的變化是由于電離層與對流層現(xiàn)象引起。
GPS定位系統(tǒng)的兩種基本類型是實時導(dǎo)航與高精度載波相位定位。實時導(dǎo)航系統(tǒng)收集對四個衛(wèi)星的四個偽距離(PR)的測量最小值。PR測量用于確定接收機的三維坐標及接收機振蕩器與GPS系統(tǒng)時間的時鐘偏移。差分GPS(DGPS)也收集偽距離觀察量，此外還獲取測量本身錯誤的實時校正。
建立信標臺就可以在其他無線信道與網(wǎng)絡(luò)上廣播離散實時校正。這些校正一般是本地地理區(qū)域所特有的。如果本地DGPS接收機可以得到這些校正信息的幫助，那么它可以提供更好的精確性。但是，每個校正通常需要離散計算。而每個這樣的計算將增加CPU的負荷，需要占用處理時間和硬件開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種方法與系統(tǒng)，它能夠提供并利用對GPS偽距離測量中固有錯誤所進行的實時校正。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種能夠提高導(dǎo)航設(shè)備精確性的方法與系統(tǒng)。
此外，本發(fā)明還有一個目的是提供一種造價較低的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
簡單地說，本發(fā)明的一個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選實施例包括一個連接到Internet的服務(wù)器，它可以向客戶端提供實時校正信息。而服務(wù)器包括一個提供導(dǎo)航衛(wèi)星星群跟蹤的GPS接收機。當客戶機在線時，它可以接收到以多項式系數(shù)的形式發(fā)送的衛(wèi)星定位與速度信息。時鐘、電離層、對流層及其他校正信息都包含在第二個多項式中。因此客戶端不計算或使用年歷及星歷表信息。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是所提供的系統(tǒng)和方法可以簡化設(shè)備需求及使用造價。
本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀下列結(jié)合


的優(yōu)選實施例的詳細描述后，對本發(fā)明的上述及其他目標與優(yōu)點將有全面地把握。
附圖描述圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)選實施例的功能框圖，其中服務(wù)器通過經(jīng)由Internet通信的實時校正信息輔助客戶端；并且圖2是本發(fā)明所提供的方法優(yōu)選實施例的流程圖，該方法提供并使用實時校正信息，該實時校正信息被編碼成多項式并由圖1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的Internet上傳輸?shù)拿钐峁?br> 詳細描述如果導(dǎo)航接收機對全部星歷表或全部年歷進行處理，計算衛(wèi)星位置與速度的話，代價是非常昂貴的。需要處理大量復(fù)雜、非算數(shù)運算，如三角函數(shù)及微積分運算。在本發(fā)明的所有優(yōu)選實施例中都使用了衛(wèi)星位置與速度模型(SPV)多項式，用來近似衛(wèi)星的位置與速度。對多個位置與速度進行多項式擬合，然后在小的時間間隔內(nèi)的任何時刻，都可以使用該多項式估計衛(wèi)星的位置和速度。在評價各個SPV時需要考慮速度、存儲量、位置與速度的精確性。在服務(wù)器的幫助下可以校正內(nèi)在的量化錯誤。一般來說，需要獲取大約1米的位置錯誤、優(yōu)于0.01m/s的速度錯誤、少于10-6秒的時間錯誤并且需要將存儲量與計算時間最小化。
圖1中是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)100，它包括GPS參考臺與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)102、GPS用戶與網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)104及中間的計算機網(wǎng)絡(luò)106，如Internet。GPS參考臺與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)102主要通過網(wǎng)絡(luò)106提供錯誤模型及糾錯信息，幫助GPS用戶及網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)104提供更好、更迅速的定位解決方案。
服務(wù)器系統(tǒng)102包括一個鎖定并跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星星群108、110及112的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機?？蛻舳讼到y(tǒng)104可以看見其中的某些導(dǎo)航衛(wèi)星。因此GPS參考臺與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)102可以知道時間，也可以知道其固定位置以及計算出的GPS解決方案與它所調(diào)查到的位置有何不同。GPS參考臺與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)102能夠從這些數(shù)據(jù)中產(chǎn)生簡化的多項式錯誤模型及信息。GPS參考臺與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)102可以測量在本地地理區(qū)域內(nèi)存在的本地電離層與對流層效應(yīng)。因此，如果GPS用戶與網(wǎng)絡(luò)客戶端系統(tǒng)104處于該局部區(qū)域，那么差分校正可以很好地應(yīng)用。
服務(wù)器系統(tǒng)102應(yīng)該一直處于開機狀態(tài)，并跟蹤其導(dǎo)航衛(wèi)星星群108、110及112。然后它就可以識別精確、絕對的系統(tǒng)時間，并且可以為網(wǎng)絡(luò)上的其他導(dǎo)航衛(wèi)星接收機提供當前的星歷表、對流層、電離層及其他信息。這些信息可以以記次付費的形式或作為一項預(yù)訂提供。
GPS偽距離校正通常包括對流層、電離層、相對論效應(yīng)及衛(wèi)星載具的偏移與漂移(dtsv)及地球自轉(zhuǎn)校正。衛(wèi)星自己經(jīng)過的復(fù)雜路徑可以在衛(wèi)星位置與速度模型(SPV)中表示。
另外的導(dǎo)航衛(wèi)星星群，如114與116，對客戶端系統(tǒng)104來說也是可見的?？蛻舳讼到y(tǒng)104包含它自己的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機，但是它不可能己經(jīng)鎖定并跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星112、114與116的導(dǎo)航衛(wèi)星星群。
本發(fā)明優(yōu)選實施例可以分成三種等級的輔助用戶104校正。分別對應(yīng)于三種不同的網(wǎng)絡(luò)客戶端類型自動網(wǎng)絡(luò)客戶端、使用ASPV的半自動網(wǎng)絡(luò)客戶端及使用SPV的半自動網(wǎng)絡(luò)客戶端。
通常，本發(fā)明的優(yōu)選實施例計算一個“corrTotal”變量，它是特定時間和用戶位置的所有校正的總和。第一個和第二個派生項與校正時間有關(guān)，用來計算位置沒有改變的用戶的近似校正。也可以包括一個位置移動門限，這樣如果位置改變得太多，所有的新位置的校正項將自動重新計算。例如correction(tfix)＝corrTotal(tref)+corrRamp(tref)Δt+corr2nd(tref)Δt2corrDot(tfix)＝corrRamp(tref)+2corr2nd(tref)Δt2，其中Δt＝tfix-tref
自動客戶端104每32秒都使用星歷表信息建立衛(wèi)星位置及速度模型(SPV)。計算出校正項的和，如corrTotal。使用dtsv的“al”項，在地球自轉(zhuǎn)中用衛(wèi)星速度代替衛(wèi)星位置，將計算的近似值給校正的有關(guān)時間的第一個派生項，然后將它們加到corrRamp變量中。第二個派生項corr2nd只包括dtsv的“a2”項。然后使用這兩項計算特定位置處的所有校正。
使用ASPV的半自動客戶端104需要使用服務(wù)器102發(fā)送的校正。服務(wù)器將在ASPV開始時刻tref解決兩重的校正，然后在t1＝tref+Δt時刻使用校正值，并在t2＝tref+2Δt時刻及時創(chuàng)建校正多項式。此多項式的系數(shù)利用下式計算cor0cor1cor2=001Δt2Δt14Δt22Δt1corr2ndcorrRampcorrTotal]]>得到corrTotal＝cor0corrRamp＝(4cor1-cor2-3cor0)/(2Δt)corr2nd＝(cor2-cor1+cor0)/(2Δt2)這些系數(shù)用在客戶端104中，計算在定位時刻的校正值。如果用戶移動的位置太遠，網(wǎng)絡(luò)客戶端104必須向服務(wù)器102請求新用戶位置的新校正項。ASPV使用Δt＝400，這是因為它在ASPV的整個900秒窗口中都維持相對較小的錯誤。而對于使用SPV的半自動客戶端，所使用的該系數(shù)值卻為Δt＝16。
表I總結(jié)了本發(fā)明的各個原型SPV模型A-F的執(zhí)行過程中的一系列測試中獲得的結(jié)果。在SPV“Model”列，“p”是位置數(shù)，“v”是用來計算系數(shù)的速度數(shù)?！?2”標識二階多項式，“03”表示三階多項式，依此類推?！癲elt”是一個時間測試。在“#Eph”列中是計算系數(shù)所需的星歷表或其他全部位置及速度的個數(shù)。“#Calcs Coef”是系數(shù)與位置速度所需的計算的數(shù)量與類型的粗略近似?！?Calcs SPV”列出了乘法與加法的數(shù)目。“Coef”列標識使用的多項式系數(shù)的數(shù)目。各個模型得到的錯誤在最大位置錯誤“Max Pos Err”與最大速度錯誤“Max Vel Err”列中給出。
表1

現(xiàn)在對Model-E與Model-F進行詳細描述。Model-E由2p｀s 2v｀sO2 delta t＝32秒組成，而Model-F分別使用獨立的O2 Pos多項式及O2 Vel多項式。這兩個模型都使用與間隔段的起點相對的時間。對Model-E，在t0+Δt時刻得到第二個位置與速度，其中Δt＝32秒。計算系數(shù)的等式的矩陣形式為p-1p0p1=Δt2-Δt1001Δt2Δt1A2A1A0]]>A2＝(p-1-2p0+p1)/(2Δt2)，A1＝(p1-p-1)/(2Δt)，A0＝p0速度模型也類似，用v代替p，并且使用系數(shù)的對應(yīng)集合。位置與速度模型應(yīng)描述為p(t)＝A2(t-t0)2+A1(t-t0)+A0，v(t)＝B2(t-t0)2+B1(t-t0)+B0；在-Δt＜t＜Δt時使用，其中Δt＝32秒。需要另一個速度多項式來將速度的精確度提高到優(yōu)于0.01m/s。Model-E在位置與速度的系數(shù)計算中代價較高。但是，與Model-F相比，Model-E可以更好地維護位置與速度。
也有一些節(jié)省開銷的方法用于這些SPV中，例如位置的模型化、將速度與時間作為最低位(LSB)值固定的32位整數(shù)。用于位置的較好的LSB為LSB＝2-6米，而速度使用的LSB為LSB＝2-12米/秒。
固定LSB值的32位的字允許在一些計算中使用整數(shù)計算，從而減少了各個變量的存儲代價。Delta時間是固定的Δt＝32秒，而對于不同的固定LSB，系數(shù)均寫為32位整數(shù)。對于時間，Δt小于±64秒，留有重疊計算的額外時間。Δt的整數(shù)部分用帶符號的7比特數(shù)存儲，因此十位數(shù)表達可以使用25位。Δt可以用帶符號的16位整數(shù)存儲。但是這樣將只剩下9比特表示十進制部分。這樣所提供的精確度約為0.002，其精確度不足以實現(xiàn)良好的定位。對Model-E，整數(shù)可以使用16位的無符號數(shù)。而十進制數(shù)可以使用11位。這將提供大約0.0005的精確度，可以滿足良好的定位。但是，如果Δt＞32秒，表達的數(shù)將超過可用的位數(shù)。
瘦客戶端是易于計算衛(wèi)星位置與速度的模型中的客戶端。這樣的模型只需要在很短的時間段內(nèi)有效即可，而不用在較長時間段的全部星歷表中有效。該模型易于計算的特性體現(xiàn)在其校正多項式C(t)上。這樣的多項式都是從三個參考點處建立。例如，如果C(ti)j是ti時刻的第j個SV的校正，并且位置為x，則C(ti)j＝-dtsv(ti)j+eRot(ti，x)j+Iono(ti，x)j+Tropo(ti，x)j“dtsv”項負責校正相對論效應(yīng)與SV的偏移與漂移。“eRot”項校正地球自轉(zhuǎn)。電離層與對流層項校正傳播時延。
共有三種類型的對流層與電離層校正測量校正、測量調(diào)整校正及計算校正。當客戶端從服務(wù)器產(chǎn)生請求時，用戶位置的最佳估計發(fā)送給預(yù)先定位器，并確定進行搜索的SV。初始位置可能與真正的用戶位置差別較大，而且為了得到更佳的eRot項，可能需要與服務(wù)器進行另一次握手。對每個SV模型，分別創(chuàng)建校正多項式。其參考時間必須與模型同步。
為了提高有效性，SPV模型的參考時間tref定為其有效窗的中間位置。校正的參考時間tcorr設(shè)為SPV有效窗的起始位置處，因此tcorr＝tref-16。這樣，半自動SPV客戶端的有效窗也為32秒，從而分別在tcorr、tcorr+16及tcorr+32秒處計算上面提到的dtsv、eRot及大氣層情況。
半自動ASPV客戶端的有效窗大小為900秒，因此分別在tc+const、tc+400+const、tc+800+const秒處計算其dtsv、eRot及大氣層情況。在ASPV模型中，tref設(shè)為有效窗的開始位置。在ASPV中的速度項的LSB設(shè)置之后再確定“const”的值。
自動服務(wù)的、服務(wù)器輔助的自動客戶端都是借助星歷表的半自動SPV客戶端。
共有三種基本的校正類型類型I、類型II及類型III。
類型I的校正將測量校正合并到客戶端校正中，例如，視線電離層、對流層及其他SV時鐘或星歷表錯誤。在三種類型的校正中，類型I的校正要求最準確。
在類型II的校正中，一般都假設(shè)從SV到參考臺的視線是相同的，因此無法使用附近的用戶。因此類型II的校正進一步將對流層與電離層的校正元素合并到校正模型中。
類型III的校正在沒有SV可用的測量數(shù)據(jù)時，它們自己提供電離層與對流層模型。
參考臺102發(fā)送的觀察量包括計算的偽距離校正(PRC)，例如，PRC=dy-b，其中dy=measurod PR-(|Xsv-Xrefsta|+eRot-dtsv)。在該模型中，沒有電離層與對流層校正元素。而b=1/3Σsmallestpairs3|dyi*-dyk*|,]]>其中dyj*=dyj-(I+T)model.]]>對于偽距離率校正(PRRC)，給定參考臺的速度為0，則PRRC=ddy-d，其中ddysv＝measuredRangerate-(U*Vsv+correctionsDot)。在此模型中沒有電離層與對流層派生項．而U＝Xsv-XU/|Xsv-XU|，并且d=1/3Σpairs3|ddyi-ddyk|,]]>如果ddy小于兩毫秒，pairs的值與b中使用的相同。
用在服務(wù)器上的PRRC是經(jīng)過低通濾波的，從而任何確定的偏移都將被傳播。如果它們主要是噪聲，那么PRRC設(shè)為0。
在參考臺的PRC中必須容許有共模偏移。每個SV都存在本身未知的電離層與對流層視線錯誤，并且參考臺本身也存在影響所有sV的時鐘偏移。因此，對于參考臺跟蹤的n個sV的集合，共有n+1個未知量．參考臺時鐘錯誤無法完全從電離層與對流層視線錯誤中提取。但是，任何剩余的共模參考臺時鐘偏移均可傳遞到用戶時鐘偏移中。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的實施方式如下





12當特定的SV沒有可用的PRC時，在適當?shù)臅r刻，(I+T)項可以用模型計算出來。
自動服務(wù)客戶端在初始化時可以作為半自動的SPV處理。
過濾可以在軟件的高層完成，例如，在“C”源碼或Java applet中。
在C源碼中，連續(xù)模式的濾波器為PRRCif=PRRCi-1f+α(PRRCi-PRRCi-1f)]]>其中，對某一整數(shù)k=kmax，穩(wěn)定狀態(tài)值為。α＝l/k，。在初始化時，對于第一個kmax數(shù)據(jù)點，PRRC0f=0]]>而α的值為α＝1/1、1/2、1/3……，1/kmax，通常kmax＝6。
在Java中，對于半自動SPV，使用PRRCf。對于半自動ASPV，使用下列代碼

圖2是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例示例，它提供并使用Internet上的GPS接收機實時校正，該優(yōu)選實施例在此處統(tǒng)一用編號200表示。200方法從步驟202開始，其中服務(wù)器102(圖1)捕獲并跟蹤衛(wèi)星星群108、110、112等。在步驟204中，它包含計算所需的信息并計算出實時校正。它進一步將星歷表與年歷信息轉(zhuǎn)化為有效期較短的多項式。此多項式包括衛(wèi)星位置與速度(SPV)。它可以進一步包括時鐘、地球自轉(zhuǎn)以及本地區(qū)域的大氣效應(yīng)。步驟206將一組信息轉(zhuǎn)化為正數(shù)固定整數(shù)并且固定LSB的多項式系數(shù)。步驟208從Internet上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上將所需數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器或其他http客戶端。例如，這些信息可以作為計費的一項預(yù)訂提供。步驟210表示客戶端104請求這樣的發(fā)送信息。步驟212計算并校正用戶的位置與速度。步驟214向用戶輸出校正過的結(jié)果。
盡管上面以優(yōu)選實施例的形式對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明的適用范圍并不僅限于此。在閱讀本發(fā)明的上述描述之后，本發(fā)明的技術(shù)人員可以很容易對本發(fā)明進行各種修改與變更。因此，本發(fā)明附加的權(quán)利要求將對本發(fā)明的適用范圍進行限定，并涵蓋所有不違背本發(fā)明適用范圍的修改與變更。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)輔助的導(dǎo)航衛(wèi)星接收機系統(tǒng)，包括一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其第一個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機從星歷表與年歷數(shù)據(jù)中計算精確的時間、衛(wèi)星位置與速度。一個多項式，從而可以對衛(wèi)星位置與速度(SPV)進行編碼；另一個多項式，對衛(wèi)星校正進行編碼；一個網(wǎng)絡(luò)客戶端，其中另一個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機并不從星歷表與年歷數(shù)據(jù)中計算衛(wèi)星位置與速度，而是請求并使用多項式；一個內(nèi)部連接的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)多項式進行信息通信。其中，在網(wǎng)絡(luò)客戶端的用戶位置與速度的解決方案限制為固定整數(shù)、固定LSB值的算術(shù)運算。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中內(nèi)部連接的網(wǎng)絡(luò)進一步提供更新計費多項式的預(yù)訂。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器支持對網(wǎng)絡(luò)客戶端的實時校正，共有三種輔助等級自動的、帶有衛(wèi)星位置與速度(SPV)信息的半自動的，以及帶有加快第一次定位的初始SPV信息的半自動的。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供測量、測量調(diào)整以及計算電離層與對流層校正，并且在網(wǎng)絡(luò)客戶端從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器產(chǎn)生請求時，將用戶位置的最佳估計交給預(yù)定位器，并確定搜索的衛(wèi)星載具(SV)。其中，對各個SV模型，都構(gòu)建一個參考時間與該模型同步的校正多項式。
5.一種提供并使用Internet上GPS接收機的實時校正的方法，包括以下步驟使用星歷表與年歷計算值捕獲并跟蹤具有第一個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的第一個衛(wèi)星星群，并獲取本地區(qū)域的時鐘、大氣狀況及其他實時校正信息；對上述本地區(qū)域的時鐘、大氣狀況及其他實時校正信息進行編碼，使之成為一個多項式；不使用星歷表與年歷計算值捕獲并跟蹤具有第二個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的第二個衛(wèi)星星群，其中第一個與第二個導(dǎo)航衛(wèi)星在上述本地區(qū)域內(nèi)配置；將上述多項式從連接到第一個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送到連接到第二個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的網(wǎng)絡(luò)客戶端；用上述多項式中編碼的信息計算第二個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機的位置與速度。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中計算的步驟避免復(fù)雜計算并允許在第二個導(dǎo)航衛(wèi)星接收機中節(jié)省支持這些計算的計算機軟硬件。
全文摘要
一種導(dǎo)航衛(wèi)星接收機網(wǎng)絡(luò)，包括一個為客戶端提供實時校正信息的連接到Internet上的服務(wù)器。此服務(wù)器包括一個提供跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星群的GPS接收機。當客戶端在線時，它可以以多項式與系數(shù)的形式接收衛(wèi)星位置與速度信息。時鐘、電離層、對流層及其他校正信息都結(jié)合到一個多項式中。因此客戶端不用計算或使用年歷或星歷表。
文檔編號G01S1/00GK1439891SQ0310615
公開日2003年9月3日 申請日期2003年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者S·J·愛德華茲, P·W·麥克博尼 申請人:伊萊德公司, 精工愛普生株式會社