本發(fā)明涉及一種用于在多路徑誤差方面評估全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的衛(wèi)星信號的方法，其中在進行位置確定的范圍內(nèi)，尤其運動的接收器從多個衛(wèi)星的衛(wèi)星信號確定接收器與衛(wèi)星之間的基于傳輸時間測量/飛行時間測量的傳輸時間距離和接收器與衛(wèi)星或基準點之間的基于載波相位測量的載波相位距離，本發(fā)明還涉及一種用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的接收器以及一種機動車。

背景技術(shù)：

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)廣泛已知。這種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的意思是，環(huán)地軌道中的多個衛(wèi)星發(fā)射信號，這些信號通常被調(diào)制在載波頻率上并描述衛(wèi)星的位置和所謂碼信號的發(fā)射時間。通過具有衛(wèi)星位置和發(fā)射時間的碼信號，當接收器中的時鐘與衛(wèi)星的時鐘完美同步時，原則上從三個衛(wèi)星的衛(wèi)星信號中便已可以確定地球上的三維位置，由此從衛(wèi)星信號的傳輸時間中得到距離(傳輸時間測量)并找出球表面的交點，該交點從接收器和衛(wèi)星之間的距離得到。因為通常存在時鐘誤差，所以需要四個衛(wèi)星的衛(wèi)星信號，以便可以通過傳輸時間測量確定地球上的三維位置，這是因為這時存在用于四個未知量的四個方程。更多衛(wèi)星的信號通常用于可信度測試等。還提出了如下方法，這些方法利用少于四個的衛(wèi)星信號工作，而這些衛(wèi)星信號則以運動模型和/或時間上的關(guān)聯(lián)來工作。

在此處描述的方式方法中，通過衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到接收器的傳輸時間來確定位置，從中得到衛(wèi)星和接收器之間的距離。所得到的距離與接收器的時鐘誤差一起通常被稱為“偽距離”；因為傳輸時間測量對調(diào)制到衛(wèi)星信號的載波頻率上的碼進行分析處理，所以傳輸時間測量經(jīng)常被稱為“碼測量/編碼跟蹤”或“碼相位測量”。

在開放的天空視野的情況下，現(xiàn)今簡單的GNSS接收器在95％的情況下已經(jīng)達到5m以下的精確度。由于高的光速，在傳輸時間測量中通常還會出現(xiàn)不精確性。多數(shù)現(xiàn)代的GPS接收器因此還使用另一用于測量距離的變型，即所謂的使用多普勒測量的載波相位測量，在該載波相位測量中分析載波頻率的相位和該相位的變化。雖然在為其它應(yīng)用、例如飛行時間攝像機確定距離的情況下相位測量是尤其常見的，但是在GNSS接收器中存在如下問題，即不知道在衛(wèi)星和GNSS接收器之間存在多少個完整的波列。即在相位測量時總是存在多義性，這是因為不知道已經(jīng)經(jīng)過了多少個完整的波長。因此，多普勒測量(載波相位測量)通常參照基準點/參考點，從該基準點開始盡可能持續(xù)地觀察相位，并因此至少相對于這個基準點已知波長的數(shù)量。還提出了如下方法，其中對直到衛(wèi)星的完整波長的數(shù)量進行估計，以便通過載波相位測量確定接收器和衛(wèi)星之間的距離。在衛(wèi)星信號暫時遺失時可能出現(xiàn)問題，這是因為這時可能會錯過至少一個波長的通過，從而出現(xiàn)相位關(guān)系的損失。對此原因可以是例如通過障礙、還有多路徑效應(yīng)和類似情況形成的信號屏蔽。這種相位關(guān)系的損失被稱為“失鎖”，并通常在載波相位的測量中造成跳躍(“周跳”)。然而這不會影響傳輸時間測量。

在很多現(xiàn)代的應(yīng)用中、例如在機動車中，當今要求接收器的定位的非常高的精度，例如在機動車中的現(xiàn)代的駕駛輔助系統(tǒng)的情況中。在GNSS測量的范圍中出現(xiàn)大量誤差，其中之一是基于多路徑效應(yīng)的多路徑誤差(“multipath error”)。在建設(shè)地帶和主要在窄巷中或者在高的房屋外立面的情況下經(jīng)常出現(xiàn)遮蔽和反射，這種遮蔽和反射可以導致大的位置誤差。如果相對于相應(yīng)衛(wèi)星還存在視準線連接，則存在直接通過視準線(LOS)獲得的衛(wèi)星信號和相對于該衛(wèi)星信號重疊、反射、輕微滑移的多路徑信號，這導致類似于差拍/差頻和類似的效果。已經(jīng)提出了多種方法，以便通過硬件和/或軟件克服多路徑效應(yīng)。

第一種途徑涉及與設(shè)置在接收器的輸入側(cè)上的相關(guān)器的參量的匹配，其中前置相關(guān)器的高帶寬以及窄的相關(guān)器間距相對于具有多路徑的衛(wèi)星信號提高了魯棒性，為此例如參見由E.D.Kaplan和C.J.Hegarty所著的權(quán)威著作：“Understanding GPS—Principles and Applications(理解GPS—原理和應(yīng)用)”，Norwood：Artech House 2005。另一建議的方案是RAIM(接收機自主完好性監(jiān)測)的衍生物，用于識別具有誤差的衛(wèi)星信號/距離測量。在此在序貫RAIM和快照RAIM之間進行區(qū)分。在快照RAIM的情況下，對不同衛(wèi)星的同時觀測結(jié)果相對彼此進行可信度測試。當一觀測結(jié)果的殘差超過適合的閾值時，則擯棄該觀測結(jié)果。在序貫RAIM的情況下，為了形成殘差使用從過去的測量中產(chǎn)生的預(yù)測，為此例如參見Journal of Surveying Engineering(測量工程雜志)，Vol.136，Nr.1，第13-22頁，2010中由S.Hewitson和J.Wang所著的文章：“Extended Receiver Autonomous Integrity Monitoring for GNSS/INS Integration(用于GNSS/INS集成的擴展的接收機自主完好性監(jiān)測)”。

除了基于偽距離、即基于傳輸時間測量的探測方法，還存在如下方案，這些方案使用接收器的附加的輸出參量，例如多普勒測量的結(jié)果。在此應(yīng)用如下事實，即多路徑誤差對載波相位測量和輸送時間測量具有不同作用。通過從由傳輸時間測量基于調(diào)制的碼而確定的距離(傳輸時間距離)中減去由多普勒測量(載波相位測量)確定的距離(多普勒距離)可以形成所謂的碼減載波(CMC)參量，并且估計多路徑誤差的值，如例如在Global Positioning System Theory and Applications(全球定位系統(tǒng)理論和應(yīng)用)，Vol.1，第547-568頁，1996中的M.S.Braasch的文章“Multipath effects(多路徑效應(yīng))”中所描述的。還可以在頻域中分析該CMC參量或類似參量，并可以衰減表征幾何形狀的多路徑頻率。

總之可以確定，多路徑誤差是限于局部的現(xiàn)象。因此不能借助基準設(shè)施(例如差分GPS)實現(xiàn)校正。因此必需使用接收器自主探測方法。但是至今在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法自身還有一些缺點。

因此廣泛應(yīng)用的快照-RAIM方法為了誤差探測和識別還需要最少數(shù)量的看得見的衛(wèi)星。多路徑誤差的探測在那里利用五個衛(wèi)星信號才可能實現(xiàn)，其中識別具有誤差的觀測結(jié)果當存在六個衛(wèi)星信號的情況下才可以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的RAIM的變型能夠從n個觀測結(jié)果中識別出n-5個具有誤差的觀測結(jié)果，對此參見Proceedings of the ION GNSS Conference(ION GNSS會議論文)，2008中的G.Schrott，M.Rippl，A.Ene，J.Blanch，B.Belabbas，T.Walter，P.Enge和M.Meuer的論文“Enhancements of the Range Consensus algorithm(RANCO)”。

然而對于多個實際出現(xiàn)的使用情況，所需衛(wèi)星信號的大的數(shù)量是強烈限制的。在城市區(qū)域中，在那里多路徑傳輸表現(xiàn)出很高的挑戰(zhàn)，高的房屋外立面隔斷大部分投向天空的視線。因此在這種房屋峽谷中經(jīng)常不能接收到為了探測負擔了多路徑誤差的衛(wèi)星信號所需數(shù)量的衛(wèi)星。

對于基于序貫RAIM的方法，需要狀態(tài)估計器，以便從過去的測量中求得預(yù)測。該狀態(tài)估計器導致附加的復(fù)雜性，還不能避免模型誤差和預(yù)測誤差。

對于靜態(tài)應(yīng)用，尤其使用CMC參量被證明是尤其有利的，為此又參見已經(jīng)提到的M.S.Braasch的文章。然而在動態(tài)、即運動的接收器的情況下，例如在機動車中使用時，該方法是有問題的。這時會顯著更頻繁地出現(xiàn)已經(jīng)提到的周跳，這種周跳會使載波相位多義性估計變得困難。為了產(chǎn)生CMC參量需要解析的載波相位多義性。在頻域中工作的方法也不適用于動態(tài)的情況，這是因為持續(xù)變化的幾何形狀阻礙了在觀測結(jié)果中形成特征頻率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明的目的是，尤其在運動的GNSS接收器的情況下提出改進的用于探測負擔有多路徑誤差的衛(wèi)星信號的可能方案。

為了實現(xiàn)這個目的，在開頭所述類型的方法中根據(jù)本發(fā)明提出，在接收器中形成輸送時間距離和多普勒距離的時間導數(shù)之間的差作為評估參量，通過至少一個多路徑標準針對多路徑誤差的存在與否分析處理該評估參量。

根據(jù)本發(fā)明即觀察如下參量，該參量可以被稱為“碼減載波Δ距離”(CMCD)。在GNSS的范圍內(nèi)被稱為Δ距離(或距離變化率)的參量是既可以從輸送時間測量中又可以從載波相位測量中導出的參量，即通過相應(yīng)距離的時間導數(shù)。如同在其它使用CMC參量的方法中那樣本發(fā)明也應(yīng)用如下情況：多路徑誤差對輸送時間測量、載波相位測量和作為載波相位測量的基礎(chǔ)的多普勒測量的測量值產(chǎn)生不同強度的影響。因此可以通過彼此間的可信度測試探測存在的誤差，其中由多路徑接收造成的多路徑誤差在輸送時間測量和載波相位測量中例如相差兩個數(shù)量級，參見例如Ganga-Jamuna出版社，2011年由P.Misra和P.Enge所著的基礎(chǔ)著作“Global Positioning System：Signals，Measurements，and Performance(全球定位系統(tǒng)：信號、測量和性能)”的第178頁。

在此為了形成基于Δ距離的評估參量和為了其激發(fā)(Motivation)，本發(fā)明從確定的誤差模型出發(fā)。作為誤差模型，對于輸送時間測量(偽距離)應(yīng)用

以得到輸送時間距離，而對于載波相位測量相應(yīng)地為載波相位距離應(yīng)用

其中

t 接收時刻

k＝1，...，K 衛(wèi)星編號

r^(k)(t，t-τ) 在時刻t時的接收位置與發(fā)射時刻t-τ時的衛(wèi)星位置之間的幾何(真正)距離

τ 傳輸時間[s]

c 光速[m/s]

δt_u(t) 接收器時鐘誤差(相對于GNSS時間)

δt^(k)(t-τ) 衛(wèi)星時鐘誤差(相對于GNSS時間)

I^(k)(t)，T^(k)(t) 電離層誤差和對流層誤差

α 二進制指標變量(1：存在多路徑效應(yīng)，0：不存在多路徑效應(yīng))

m_ρ(t) 輸送時間測量-多路徑誤差

ε_ρ(t) 未調(diào)制的誤差(例如接收器噪音、漫反射)

N 載波相位多義性

λ 載波信號的波長

m_φ(t) 載波相位測量-多路徑誤差

ε_φ(t) 未調(diào)制的誤差

根據(jù)本發(fā)明，用作評估參量的碼減載波Δ距離(CMCD)被確定為

在此明顯看出，由于彌散效應(yīng)而雙重出現(xiàn)的大氣誤差的時間依賴性僅描述了緩慢的變化，從而因此相應(yīng)的導數(shù)小得可忽略?？梢杂欣刈R別出：由于不依賴于時間這一事實情況而同樣可忽略相位雙義性、即載波相位多義性，從而周跳不再是問題。下列假設(shè)僅在直接通過視準線(LOS)接收衛(wèi)星信號時才原則上是適用的，從而在衛(wèi)星信號僅由多路徑信號組成的情況下，即在所謂的NLOS情況下，模型并不精確，然而可以應(yīng)用評估參量，這是因為衛(wèi)星信號一定負擔有多路徑誤差并與標準過程/正常過程顯著偏差，從而多路徑標準應(yīng)起作用。

在此明顯可以設(shè)想兩種不同的途徑，其中優(yōu)選的是，從由相同的衛(wèi)星信號導出的距離中確定評估參量。在上述公式(3)中這意味著，k＝l，這也是優(yōu)選的，因為這樣可以獨立地實現(xiàn)對于每個衛(wèi)星信號的探測，并且不必要比較在各個衛(wèi)星信號下的觀測結(jié)果，因此也不必預(yù)先規(guī)定最少數(shù)量的觀測。然而也可以規(guī)定，從由第一衛(wèi)星的衛(wèi)星信號導出的輸送時間距離以及由另一、第二衛(wèi)星的衛(wèi)星信號導出的載波相位距離確定評估參量，其中，衛(wèi)星之一是具有小的多路徑誤差的基準衛(wèi)星。即如果從一開始已知一具有小的多路徑誤差的衛(wèi)星，則該衛(wèi)星可以用作基準衛(wèi)星，這如上所述然而是次優(yōu)選的。尤其便剩下幾何項，即公式(3)的最后一行的第一項，從而適宜的是，以在考慮了至少衛(wèi)星的、尤其衛(wèi)星的和接收器的速度信息的情況下通過接收器和衛(wèi)星之間的不同的相對速度產(chǎn)生的附加項(幾何項)修正評估參量。就是說，從存在的信息中一定可以估計出附加項(幾何項)，從而可以在相應(yīng)的修正后使用評估參量。

在沒有多路徑接收的情況下，評估參量在所述距離來自相同的衛(wèi)星的的情況下相當于放大的接收器噪音。在多路徑接收的情況下，出現(xiàn)附加的噪音過程，該噪音過程造成評估參量的統(tǒng)計學特性的變化，即尤其示出具有在時間上的變化曲線中顯著更大的振幅(幅度)的更寬的頻帶。因此多路徑標準可以表述為假設(shè)檢驗，其探測附加的噪音過程，并進而允許，將輸送時間測量或衛(wèi)星信號本身分類為具有多路徑誤差的或無多路徑誤差的。換句話說，可以允許多路徑標準將公式(1)至(3)中的參量α預(yù)估為0或1。因此衛(wèi)星信號能以簡單而可靠的方式方法被分類為負擔了多路徑誤差的。

根據(jù)本發(fā)明的方法有利的是，可以純從在商業(yè)通用的GNSS接收器中存在的測量數(shù)據(jù)中形成評估參量CMCD。因此多路徑探測的這種方式獨立于基準數(shù)據(jù)和所有的基礎(chǔ)設(shè)施。在觀測唯一的衛(wèi)星信號的情況時的優(yōu)點已經(jīng)說明了。

在此描述的對衛(wèi)星信號中的多路徑誤差的探測的另一優(yōu)點是，評估參量也可以用在動態(tài)的情況下，即在例如在機動車中運動的接收器的情況，這是因為多路徑過程形成為評估參量中的寬帶噪音，并因此尤其周跳可以被視為可忽略的干擾過程。

由CMCD、即評估參量的差分特性，產(chǎn)生相對于緩慢的誤差過程的免疫性。對此包括電離層誤差、對流層誤差和載波相位多義性，如已經(jīng)描述的。這提高了探測算法的魯棒性并降低了技術(shù)實現(xiàn)的復(fù)雜性。兩個寄存器和三個加法器就足夠用于具體地完成評估參量的確定。

如已經(jīng)描述的，在本發(fā)明的范圍中尤其提出，通過多路徑標準將被檢查的衛(wèi)星信號分類為無多路徑誤差的或具有多路徑誤差的。在此可以具體規(guī)定，對于多路徑標準通過上一次確定的評估參量在滑動窗口中的統(tǒng)計學方面的分析處理來確定特征值，該特征值與閾值比較用以在無多路徑誤差的衛(wèi)星信號和具有多路徑誤差的衛(wèi)星信號之間進行區(qū)分。如已經(jīng)描述的，多路徑誤差的存在導致，評估參量不僅包含放大的基本噪音，還出現(xiàn)附加的寬帶噪音，該寬帶噪音具有顯著更大的振幅，從而提供在滑動窗口中的統(tǒng)計學方面的分析處理，以便快速和可靠地探測多路徑誤差。在此可以具體地規(guī)定，滑動窗口中評估參量的最大值被視為特征值，和/或滑動窗口中評估參量的標準差被視為特征值，其中尤其是，閾值被設(shè)置為在一確定的、無多路徑誤差的變化過程中的方差的至少多倍。具體的倍數(shù)在此可以依賴于第一類型的和第二類型的預(yù)期的統(tǒng)計誤差進行選擇。這兩個變型利用的是，與由于同樣高斯分布的放大的接收器噪音可能出現(xiàn)的振幅相比，寬帶的附加噪音由于多路徑誤差具有更大的振幅。當然原則上也可以設(shè)想多路徑標準的另外類型的表述，用于描述在統(tǒng)計行為中由于附加噪音而出現(xiàn)的變化。

如已經(jīng)描述的，根據(jù)本發(fā)明的方法可以尤其有利地用于運動的接收器的情況，尤其在使用安裝和/或布置在機動車中的接收器時的情況。根據(jù)本發(fā)明的方法還可以用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，利用其可以實現(xiàn)傳輸時間測量和載波相位測量，從而例如可以使用GPS和/或伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)和/或GLONASS和/或北斗(Compass)衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。

除了本方法，本發(fā)明還涉及一種用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的接收器，該接收器具有運算裝置，該運算裝置被設(shè)計用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法在此可以整體尤其適宜地集成在常規(guī)的用于確定接收器的當前位置的算法中，其中從進一步的觀測中抽取出被探測為具有多路徑誤差的確定的衛(wèi)星信號，或諸如此類。與根據(jù)本發(fā)明的方法相關(guān)的所有實施方案可以類似地轉(zhuǎn)用于根據(jù)本發(fā)明的接收器，利用該接收器因此可以獲得相同的優(yōu)點。

最后本發(fā)明還涉及一種機動車，該機動車具有根據(jù)本發(fā)明的接收器。機動車通常以較大的速度運動，從而至今應(yīng)用的用于探測多路徑誤差的方法不能足夠魯棒且可靠地應(yīng)用。這種情況在使用根據(jù)本發(fā)明的方法的情況下改變了，根據(jù)本發(fā)明的方法由于已經(jīng)描述的事實情況在探測多路徑誤差時提供了這種魯棒性和可靠性。

附圖說明

從下面描述的實施例中以及根據(jù)附圖得到本發(fā)明的其它優(yōu)點和細節(jié)。在此示出：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的方法的實施例的流程圖，

圖2示出用于求得評估參量的方框圖，

圖3示出評估參量的可能的時間的變化曲線，和

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的機動車。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖，該方法在普遍的位置確定中集成在GNSS接收器內(nèi)部。在步驟S1中，在GNSS接收器的內(nèi)部如通常那樣確定和提供：從通過對調(diào)制到衛(wèi)星信號的載波頻率上的碼進行分析處理的輸送時間測量中確定的、接收器和衛(wèi)星之間的輸送時間距離，以及基于以多普勒測量為基礎(chǔ)的載波相位測量的、接收器和衛(wèi)星或基準點之間的載波相位距離。

在步驟S2中應(yīng)用這些距離(和其時間變化曲線)以確定評估參量CMCD，如通過公式(3)所述的。在此通過在相應(yīng)的當前距離與在寄存器中儲存的、之前確定的距離之間形成差值而確定時間導數(shù)，如也在圖2的方框圖中所示的。在那里又以ρ表示輸送時間距離，用λφ表示載波相位距離。寄存器1記錄時間上先前確定的值。加法器2用于形成差值，以便確定對應(yīng)的Δ距離。另一加法器3根據(jù)在公式(3)中的定義使兩個Δ距離彼此相減，以便獲得評估參量CMCD。當然，圖2中的方框圖僅表示一簡單的實現(xiàn)方案；也可以通過考慮多個歷史值和類似值或以其它方式方法來確定時間導數(shù)；尤其可以通過軟件組件實現(xiàn)CMCD的求取。

圖3示出在大約100秒的時間段中記錄的評估參量CMCD相對于時間t的示例性的變化曲線。如果作為基礎(chǔ)的衛(wèi)星信號是沒有多路徑誤差的，其中在此分析處理同一衛(wèi)星信號的輸送時間距離和載波相位距離，則在區(qū)域4中僅示出具有小振幅的、即評估參量的小的最大值的、放大的接收器噪音。在區(qū)域5中然而存在多路徑效應(yīng)，從而產(chǎn)生顯著變化的行為，因此出現(xiàn)具有強的振幅、即大的幅度的寬帶噪音。

又參照圖1，在步驟S3中現(xiàn)在應(yīng)使用評估參量來分類：衛(wèi)星信號是否負擔有多路徑誤差。為此對評估參量的變化曲線進行統(tǒng)計學方面的分析處理，其中在此應(yīng)用多路徑標準，該多路徑標準將在變化曲線上在總是在評估參量的當前值處終止的滑動窗口內(nèi)的評估參量的最大值與閾值相比較，在此純示例性的閾值為5m每秒。如果超過這個閾值，則在步驟S4中將該衛(wèi)星信號分類和標記為具有多路徑誤差的衛(wèi)星信號。如果沒有超過閾值，則在步驟S5中將從中求得了評估參量的衛(wèi)星信號分類和標記為無多路徑誤差的。當然這種分類通過在步驟3中執(zhí)行的假設(shè)檢驗被持續(xù)追蹤，以及對于所有接收的衛(wèi)星信號都執(zhí)行這種分類。

在步驟S6中于是可以實現(xiàn)位置確定，其中被標記為具有多路徑誤差的衛(wèi)星信號以及從這些信號中確定的距離不予考慮。

當然可以在步驟S3中另選或附加地使用其它的評估標準，例如評判滑動窗口中評估參量的標準差的評估標準。

最后圖4示出根據(jù)本發(fā)明的機動車6的原理圖，該機動車具有根據(jù)本發(fā)明的GNSS接收器7，在此為GPS接收器。該接收器包含被設(shè)計用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的運算裝置8。