專利名稱：衛(wèi)星實時定位方法與系統(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到地球表面的衛(wèi)星實時定位。
本發(fā)明推出的方法和系統(tǒng)適用于需要了解移動臺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動學(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)星信號時，也無須返回最初的定位點。
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快速收斂過程---可以是接收器及其接收天線在移動中進(jìn)行---可以使隨后的運動在大約3至10分鐘后啟動。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)的兩個頻率，可以減少幾秒鐘的初始化時間，尤其是在實施與上述專利所述的同一類型的收斂算法時，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)。這個技術(shù)提供的特點是不確定性更大(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)站和定位點上移動的移動臺上同時接收到通過衛(wèi)星星座向地球方向在兩個頻率(L1和L2)上發(fā)送的無線電信號，然后進(jìn)行初始化處理，并通過初始化處理去除來自各個不同觀測衛(wèi)星的信號相位的不確定性，這樣初始化結(jié)束后，進(jìn)行運動學(xué)處理，該運動學(xué)處理可在移動臺移動時跟蹤信號相位環(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)波長更長的兩個表觀頻率的相位測量的線性組合，初始化處理進(jìn)行諸點坐標(biāo)的確定，且線性地組合源于這兩個頻率的每一個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，我們在信號上進(jìn)行不確定性的測繪，其信號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，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)點起這些同樣瞬間之間的所計算的移動臺-----衛(wèi)星距離的變化進(jìn)行比較而實現(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行的可靠性。
此外，為了充分開發(fā)使用L1和L2兩個頻率產(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算相位初始的和運動學(xué)的。我們利用的結(jié)果是兩個頻率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)系式用于計算的位置來補償該延遲的作用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)行相位測量所計算出的坐標(biāo)。
對余數(shù)的計算也使用同樣的原理。
這種計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)明一種實施方式的示意圖。
附圖2通過方框圖表示了實現(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)主要有一個固定站1，位于已知坐標(biāo)點上，一個操作員要在所定位的點移動的移動臺2。站1和移動臺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。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臺2發(fā)送信息。
移動臺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和移動臺2的接收器3記錄從每個觀測衛(wèi)星接收到的信號載波相位。這樣站1接收到的數(shù)據(jù)通過發(fā)射器4被傳送到移動臺2。
基站1不進(jìn)行任何計算，僅僅把接收到的信號傳送給移動臺2。
基站1接收到的信號和移動臺2接收到的信號的相位差，以及由表現(xiàn)移動臺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，確定移動臺2的位置，了解基站1的位置以及所觀測衛(wèi)星的星歷表。
移動臺2帶有顯示器2a，所計算的坐標(biāo)就被傳送到顯示器2a上。移動臺2還裝有記錄這些坐標(biāo)的設(shè)備和一個鍵盤(沒有表示出來)，這樣當(dāng)天線定位于定位點時，操作員可以控制所顯示出的所計算坐標(biāo)的存儲。
單元U進(jìn)行的處理按圖2中的方框圖操作。
在第一個步驟(步驟6)中，單元U確定接收到的無線電衛(wèi)星信號的質(zhì)量。
當(dāng)信息不足時，消息7則顯示在移動臺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，然后是運動學(xué)連續(xù)的處理9。
處理8主要有三個步驟，這三個步驟是---確定相鄰近的明確位置(步驟10)---在一個確定的點上進(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相差值的使用，對相鄰近的明確位置進(jìn)行確定處理。這個步驟根據(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，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的坐標(biāo)，不產(chǎn)生傾斜的一點由以下公式給出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間內(nèi)(幾秒鐘至10幾秒，安全性99.9％)初始化移動臺的被計算的位置。
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，通過實施電離層誤差效果的校正技術(shù)，確定一個再定位點。
事實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頻率上的不確定性，對兩個頻率計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誤的校正，在干擾相干性測試時，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，下列復(fù)合余數(shù)實際等于0。
Res=(0.65＊ResL1-ResL2)/0.65其中ResL1和ResL2是L1和L2上的余數(shù)。
因此，在動態(tài)測定時，步驟15或動態(tài)確定時實施的余數(shù)測試的實施最好用這樣的復(fù)合余數(shù)，即便是在電離層強烈干擾時，它可用于位置線的相干性測試。該技術(shù)的實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臺-衛(wèi)星在這兩個瞬間的理論距離進(jìn)行比較。
這兩個變化之間的鑒別只能在真實點上核實。
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或另一個之上可能發(fā)生的環(huán)行跳躍。
在運動學(xué)處理(步驟9)期間，僅借助頻率L1和L2計算一個點。
連續(xù)運動學(xué)位置的有效性測試在每次計算都要返回到步驟12，以便進(jìn)行余數(shù)檢查測試以及相位變化檢查測試。
同樣在這個運動期間，通過按以下公式計算坐標(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．通過從一點到地球表面的定位方法，在已知坐標(biāo)基準(zhǔn)站和一個要定位的點上移動的移動臺上同時接收到通過衛(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，然后進(jìn)行初始化處理并通過初始化處理去除來自各個觀測衛(wèi)星的信號的相位的不確定性，并進(jìn)行初始化結(jié)束后的運行學(xué)處理可以在移動臺移動時跟蹤信號相位環(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的坐標(biāo)，且線性地組合源于這兩個頻率的每一個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)的兩個發(fā)射頻率，我們用下式計算某一點的非干擾坐標(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的相位測量為該點確定的這一點的坐標(biāo)。
3．根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于在初始化處理期間或運動學(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)點起這兩個瞬間之間所計算的移動臺一衛(wèi)星的理論距離變化的比較。
4．根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于在初始化處理期間或運動學(xué)處理期間，在所計算位置上進(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，其特征在于在兩個頻率Li和Lj的相位測量上計算余數(shù)ResLi,ResLj，還計算復(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)運動期間按如下計算確定某點的坐標(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
通過從一點到地球表面的定位方法,可在已知坐標(biāo)基準(zhǔn)站和一個要在定位點移動的物體上同時接收到通過衛(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,然后進(jìn)行初始化處理從而去除來自各個觀測衛(wèi)星的信號的相位不確定性。這樣,初始化結(jié)束后的運動學(xué)處理可以在移動臺移動時跟蹤信號相位環(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表觀頻率的相位測量線性組合,初始化處理確定點坐標(biāo)。
文檔編號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