用于移动基站RTK测量的系统和方法

申请号 CN201180047278.9 申请日 2011-06-02 公开(公告)号 CN103299205B 公开(公告)日 2015-12-09
申请人 纳夫科姆技术公司; 发明人 戴立文L.; 邵云峰;
摘要 在用于根据来自卫星(115)的 信号 对移动目标(110)进行导航的系统和方法中,移动目标(110)从大量卫星(115)接收卫星导航信号。移动目标(110)还从移动基站(120)接收移动基站数据。接收到的移动基站数据包括移动基站(120)的卫星测量数据。在移动目标(110)处,根据接收到的移动基站数据和接收到的卫星导航信号,确定移动目标(110)相对于移动基站(120)的相对 位置 矢量。移动目标(110)发送与相对位置矢量对应的信号报告信息。
权利要求

1.一种用于根据来自卫星的信号对移动目标进行导航的方法,所述方法包括以下步骤:在移动目标中,
从多个卫星接收卫星导航信号;
从接收到的卫星导航信号产生用于移动目标的卫星导航数据;
从移动基站接收移动基站数据,接收到的移动基站数据包括用于第一特定时间的移动基站的卫星测量数据;
根据接收到的移动基站数据和用于移动目标的卫星导航数据,确定移动目标相对于移动基站的相对位置矢量,其中确定相对位置矢量包括使用用于第一特定时间的移动基站数据和用于第一特定时间的用于移动目标的卫星导航数据,产生在第一特定时间时用于相对位置矢量的实时动态(RTK)值;
其中当满足预定判据时,结合用于在第一特定时间时的相对位置矢量的实时动态值和扩展的相对位置矢量,扩展的相对位置矢量包括用于相对位置矢量的位置扩展计算值;
其中预定判据基于用于实时动态值和扩展的相对位置矢量的方差-协方差矩阵的特征;以及
发送与相对位置矢量对应的信号报告信息。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,从移动基站接收到的移动基站数据和用于移动目标的卫星导航数据两者都包括用于在当前时间之前的第一特定时间的数据。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述移动基站数据包括在移动基站处从用于多个卫星的卫星导航信号产生的卫星测量数据;
所述方法还包括以下步骤:
在移动目标中,使用移动基站数据确定在第一特定时间时移动基站的位置。
4.根据权利要求3所述的方法,还包括以下步骤:
根据在第一特定时间时移动基站的位置和相对位置矢量,确定在第一特定时间时移动目标的位置。
5.根据权利要求3所述的方法,还包括以下步骤:
根据在第一特定时间时移动基站的位置、在第一特定时间时的相对位置矢量和在第一特定时间与当前时间之间移动目标的位置的变化,确定在当前时间时移动目标的位置。
6.根据权利要求2所述的方法,还包括以下步骤:
根据用于第一特定时间的相对位置矢量、从第一特定时间到当前时间移动目标的位置的变化、在第一特定时间与第二特定时间之间移动基站的位置的变化以及在第二特定时间与当前时间之间移动基站的位置的投影变化,确定用于当前时间的当前相对位置矢量,其中移动基站的位置的投影变化基于确定的移动基站的速度。
7.根据权利要求2所述的方法,还包括以下步骤:
对于在第一特定时间之后的相对应的多个更新时间,从移动基站接收移动基站的多个连续位置变化更新。
8.根据权利要求7所述的方法,还包括以下步骤:
确定移动目标的位置变化,以及通过确定在第一特定时间与第二特定时间之间移动目标的位置变化,并且使用移动基站的多个接收到的位置变化更新的至少一个,确定在第一特定时间之后用于第二特定时间的更新的相对位置矢量。
9.根据权利要求7所述的方法,还包括以下步骤:
使用两个或更多个接收到的移动基站的位置变化更新,确定移动基站的平滑速度。
10.根据权利要求7所述的方法,还包括以下步骤:
使用一个或多个接收到的移动基站的位置变化更新,确定移动基站的速度。
11.根据权利要求10所述的方法,还包括以下步骤:
根据在第一特定时间时移动基站的位置和确定的移动基站的速度,确定在当前时间时移动基站的位置。
12.根据权利要求1所述的方法,其中,接收移动基站数据的步骤包括:经由无线电通信接收移动基站数据。
13.根据权利要求1所述的方法,其中,移动基站数据包括使用实时动态(RTK)在移动基站处从多个卫星接收到的卫星导航信号的测量值和在移动基站处确定的移动基站相对于固定基站的位置。
14.一种用于根据来自卫星的信号对移动目标进行导航的系统,所述系统包括:
卫星接收机,用于从多个卫星接收卫星导航信号;
接收器,从移动基站接收移动基站数据,接收到的移动基站数据包括移动基站的卫星测量数据;
存储器
处理器,通过通信总线连接到存储器,所述处理器用于根据接收到的移动基站数据和接收到的卫星导航信号,通过处理器确定移动目标相对于移动基站的相对位置矢量;处理器使用用于第一特定时间的移动基站数据和用于第一特定时间的用于移动目标的卫星导航数据,产生在第一特定时间时用于相对位置矢量的实时动态(RTK)值;
其中当满足预定判据时,结合用于在第一特定时间时的相对位置矢量的实时动态值和扩展的相对位置矢量,扩展的相对位置矢量包括用于相对位置矢量的位置扩展计算值;
其中预定判据基于用于实时动态值和扩展的相对位置矢量的方差-协方差矩阵的特征;和
发射器,用于发送与相对位置矢量对应的信号报告信息。
15.根据权利要求14所述的系统,其中,接收器和卫星接收机分别被构造成分别接收用于在当前时间之前的第一特定时间的移动基站数据和卫星导航信号。
16.根据权利要求15所述的系统,其中,通过处理器在移动目标中使用移动基站数据确定在第一特定时间时移动基站的位置。
17.根据权利要求16所述的系统,其中,通过处理器根据在第一特定时间时移动基站的位置和相对位置矢量确定在第一特定时间时移动目标的位置。
18.根据权利要求16所述的系统,其中,通过处理器根据在第一特定时间时移动基站的位置、在第一特定时间时的相对位置矢量和在第一特定时间和当前时间之间移动目标的位置的变化来确定移动目标的位置。
19.根据权利要求15所述的系统,其中,通过处理器根据用于第一特定时间的相对位置矢量、从第一特定时间到当前时间移动目标的位置的变化、在第一特定时间和第二特定时间之间移动基站的位置的变化以及在第二特定时间和当前时间之间移动基站的位置的投影变化来确定用于当前时间的当前相对位置矢量,其中移动基站的位置的投影变化基于确定的移动基站的速度。
20.根据权利要求15所述的系统,其中,接收器从移动基站接收用于在第一特定时间之后的相对应的多个更新时间的移动基站的多个连续位置变化更新。
21.根据权利要求20所述的系统,其中通过处理器确定移动目标的位置变化,和通过确定在第一特定时间与第二特定时间之间移动目标的位置变化和使用移动基站的多个接收到的位置变化更新的至少一个来确定用于在第一特定时间之后的第二特定时间的更新的相对位置矢量。
22.根据权利要求20所述的系统,其中,通过处理器使用两个或更多个接收到的移动基站的位置变化更新来确定移动基站的平滑速度。
23.根据权利要求22所述的系统,其中,通过处理器根据在第一特定时间时移动基站的位置和确定的移动基站的速度来确定在当前时间时移动基站的位置。
24.根据权利要求14所述的系统,其中,移动基站数据包括使用实时动态(RTK)在移动基站处从多个卫星接收到的卫星导航信号的测量值和在移动基站处确定的移动基站相对于固定基站的位置。

说明书全文

用于移动基站RTK测量的系统和方法

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张2010年7月30日提出申请的“System and Method for Moving-Base RTK Measurements”的美国临时专利申请第61/369,596号的优先权,该申请通过引用在此全文并入供参考。

技术领域

[0003] 所公开的实施例一般地涉及卫星通信。更具体地,所公开的实施例涉及移动基站实时移动(RTK)测量。

背景技术

[0004] 在诸如陆地和文勘探的许多导航应用中使用的传统的实时动态(RTK)技术基于使用来自多个卫星接收到的载波相位测量信号。用于对移动目标接收器(例如,船只、车辆等)进行导航的传统的RTK技术需要固定基站接收器(通常称作基站)以将所述接收器的卫星数据周期性地传播给移动目标接收器。移动目标接收器比较其自身的相位测量与从基站接收到的相位测量,并使用加上基站的位置的那个信息以确定移动目标接收器的位置。基站与远程接收器之间的通信可以经由使用通常在UHF频段的分配频率的无线电通信来进行。发明内容
[0005] 一些实施例提供一种用于根据来自卫星的信号对移动目标进行导航的系统、存储指令的计算机可读存储介质或计算机执行方法。移动目标(这里还被称为“远程装置”)从大量卫星接收卫星导航信号并从接收到的卫星导航信号产生用于移动目标的卫星导航数据。移动目标还从移动基站接收移动基站数据。接收到的移动基站数据包括移动基站的卫星测量数据。在移动目标处,根据接收到的移动基站数据和接收到的卫星导航数据来确定移动目标相对于移动基站的相对位置矢量(例如,连接移动基站的位置与移动目标的位置的矢量)。在一些实施例中,移动目标通过将信号发送给主机系统来报告对应于相对位置矢量和/或移动目标的当前位置的信息。
[0006] 在一些实施例中,从移动基站接收到的移动基站数据和用于移动目标的卫星导航数据包括在当前时间之后的第一特定时间(例如,起始时间)的数据。如以下更加详细地所述,使用从移动基站接收到的移动基站数据和用于第一特定时间的用于移动目标的卫星导航数据,然后通过产生第一特定时间的相对位置矢量的RTK值来确定相对位置矢量。
[0007] 这里所述的移动基站RTK方法和系统可以用于各种各样的应用中,例如保持两个车辆(例如,诸如漫游者的移动目标和诸如卡车的移动基站)或其它移动系统之间的固定距离,保持两个车辆或其它系统之间的固定相对位置(例如,二维或三维位置差矢量)或保持两个车辆或其它系统之间的固定速度差。附图说明
[0008] 图1是显示根据一些实施例的移动基站RTK系统的方框图
[0009] 图2是显示根据一些实施例的图1的移动基站RTK系统的移动目标系统的方框图;
[0010] 图3是根据一些实施例的显示从移动基站发送并在移动目标处被接收和处理的位置信号的时序的时序图;
[0011] 图4是显示根据一些实施例的显示存储在移动基站RTK系统中被通信的讯息的讯息数据库的数据结构的方框图;
[0012] 图5A-5C是显示根据一些实施例的从移动基站、任选的移动基站位置数据库和任选的移动目标位置数据库接收到的用于数据的数据结构的方框图;
[0013] 图6是显示根据一些实施例的相对位置矢量数据库的数据结构的方框图;以及[0014] 图7A-7C是根据一些实施例的用于移动基站RTK测量的方法的流程图

具体实施方式

[0015] 图1是根据一些实施例的显示移动基站RTK系统100的方框图。代替传统的RTK导航系统使用的固定基站,移动基站RTK系统100使移动目标110(例如,诸如船舶机器人、运输装置等的远程装置)能够在任一时间点确定该移动目标110相对于移动基站120(例如,船只、指挥车、卡车等)的当前相对位置。移动目标110和移动基站120安装有包括卫星天线130和140的卫星接收机,以分别地从至少四个卫星115接收卫星导航信号。由移动基站120和移动目标110接收到的卫星导航信号通常是全球导航卫星系统(GNSS)信号,例如,1575.42MHzL1信号频率和1227.6MHzL2信号频率的全球定位系统(GPS)。
[0016] 移动基站120以特定的时间测量接收到的卫星导航信号并使用通信信道150(例如,无线通信信道,或更具体地诸如UHF无线电的无线电通信信道)以一些特定时间(例如,时间t0至tt,图3中所示)将这些测量值(例如,伪距和/或相位测量值)通信给移动目标110。任选地,移动基站120使用从卫星115接收到的卫星导航信号以预定时间(例如,发送卫星信号测量的同时或其它时间)确定其位置,并且使用通信信道150将该移动基站在所述时间的位置通信给移动目标110。然而,在许多实施例中,不需要通过移动基站120将移动基站位置通信给移动目标110。
[0017] 根据(A)由移动目标110从卫星115接收到卫星导航信号和(B)从移动基站120接收到的信号测量数据,移动目标110确定该移动目标相对于移动基站120的相对位置。由移动目标110确定的相对位置由相对位置矢量表示。在以下论述中并在整个文献中,术语“相对位置矢量”表示“移动目标110与移动基站120之间的相对位置矢量,或反之亦然”。要注意的是,移动目标110与移动基站120之间的相对位置矢量通过乘以负一而与移动基站120与移动目标110之间的相对位置矢量相同。因此,只要已知起点和结束点(即,矢量的端部在移动基站120处以及端部在移动目标11处),则移动目标两个相对位置矢量传达相同的信息。
[0018] 在一些实施例中,移动目标110被构造成通过以下方式对于任意给定时间产生相对位置矢量:1)以预定时间或间隔(例如,以一秒间隔)(这里称作起始界限时间)确定移动目标110与移动基站120之间的相对位置矢量;以及2)结合在给定时间之前在最后起始界限时间处的相对位置矢量和在移动目标110处的位置变化和在给定时间与前一个起始界限时间之间在移动基站120处的位置变化(或如下所示,估计的位置变化)。这种方法在这里有时被称作时间同步RTK,以在起始界限时间之间的任何特定时间处(例如,当前时间或最后一个起始界限时间之后的早些时间)产生移动目标110与移动基站120之间准确的(例如,在几厘米内)相对位置矢量。在一些实施方式中,例如移动目标110的系统被构造成以大于或等于25Hz的速度产生更新的相对位置矢量(例如,当更新速度为25Hz时,每40毫秒产生更新的相对位置矢量,或者当更新速度为50Hz时,每20毫秒产生更新的相对位置矢量)。
[0019] 在一些实施例中,移动目标110将移动目标110的相对位置矢量和/或当前位置报告给主机系统160。主机系统160可以是服务器或客户系统(例如,台式机、膝上型电脑、蜂窝电话、平板、个人数字助理(PDA)等)。在一些实施例中,主机系统位于移动目标110或移动基站120中。主机系统160任选地连接到诸如因特网的网络。任选地,主机系统160被构造成控制移动目标110的移动(例如,通过控制移动目标110的导向和/或推进系统112),或控制移动基站120的移动(例如,通过控制移动基站120的导向和/或推进系统
122),以保持移动基站120与移动目标110之间的预定距离或相对位置矢量。
[0020] 图2是显示根据一些实施例的对应于图1的移动基站RTK系统100中的移动目标110的移动目标系统200的方框图。移动目标系统200通常包括:用于运行程序或指令的一个或多个处理器(CPU)202;用于接收卫星导航信号的卫星接收机204;一个或多个通信接口206、208;存储器210;和用于使这些部件相互连接的一个或多个通信总线205。移动目标系统200任选地包括用户界面209,所示用户界面209包括显示装置和一个或多个输入装置(例如,一个或多个键盘鼠标触摸屏、小键盘等)。一个或多个通信总线205可以包括使系统部件相互连接并控制系统部件之间的通信的电路(有时地称作芯片组)。
[0021] 移动目标系统200使用通信接口206(例如,接收器或收发器)以从移动基站120接收通信。移动目标系统200使用通信接口208(例如,发射器或收发器)以从移动目标110将信号发动到主机系统160,从而报告对应于相对于移动基站120的相对位置矢量和/或移动目标110的当前位置的信息。在一些实施例中,通信接口206和208是一个收发器,而在其它实施例中,通信接口206和208是是单独的收发器或单独的通信接口。
[0022] 存储器210包括高速随机存取存储器,例如DRAM、SRAM、DDR、RAM或其它随机存取固态存储器装置;并且可以包括非易失存储器,例如一个或多个磁盘存储器装置、光盘存储装置、闪速存储器装置或其它非易失固态存储装置。存储器210任选地包括远离CPU(一个或多个)202定位的一个或多个存储装置。存储器210或可选地存储器210内的非易失存储器装置(一个或多个)包括计算机可读存储介质。在一些实施例中,存储器210或存储器210的计算机可读存储介质存储以下程序、模和数据结构或其子集:
[0023] ·操作系统212,所述操作系统212包括用于操纵各种基本系统服务和用于执行硬件相关任务的程序。
[0024] ·从移动基站120接收到的数据的数据库214(如以下相对于图5A更加详细地所述)。
[0025] ·讯息服务应用程序216,所述讯息服务应用程序216结合通信接口206(例如,接收器或收发器)运行以操纵移动基站120与移动目标系统200之间的通信,和结合通信接口208(例如,发射器或收发器)运行以操纵移动目标系统200与主机系统160之间的通信。在一些实施例中,讯息服务应用程序216包括驱动程序,当通过一个或多个处理器202运行所述驱动程序时,所述驱动程序能够使在通信接口206中的各种硬件模块从移动基站120接收讯息,并且使在通信接口208中的各种硬件模块将讯息发送到主机系统160。
[0026] ·任选的移动基站位置数据库218,如以下相对于图5B所述,存储与移动基站120在大量特定时间的位置(例如,三维位置)相关联的数据。数据库218用于其中通过移动目标系统200确定移动基站120的绝对位置或通过移动基站120提供绝对位置信息的应用程序。
[0027] ·任选的移动目标位置数据库220,如以下相对于图5C所述,存储与移动目标110在大量特定时间的位置(例如,三维位置)相关联的数据。数据库220用于其中由移动目标110(移动目标系统200)确定的移动目标110的绝对位置的应用程序。
[0028] ·相对位置矢量数据库222,如以下相对于图6所述,存储与移动目标110在大量特定时间相对于移动基站120的相对位置矢量相关联的数据。
[0029] 一个或多个确定模块230,当通过CPU移动所述一个或多个确定模块230时,所述一个或多个确定模块230根据经由通信接收器206从移动基站120接收到的移动基站数据和通过卫星接收机204(接收器130,图1)从卫星115接收到的卫星导航数据,确定移动目标110相对于移动基站120的相对位置矢量。
[0030] 在一些实施方式中,如下所述,确定模块230包括RTK模块232、增量模块233、向前投影模块234和速度平滑模块236。
[0031] RTK模块232使用移动基站数据(即,当从移动基站120在晚于所述特定时间的时间接收时在每一个特定时间的移动基站120的卫星测量数据)和在移动目标系统200处(移动目标110处)每一个特定时间获得的卫星信号测量值来确定特定时间(这里称作起始界限时间)的相对位置矢量。根据公知的实时动态(RTK)方法执行每一个特定时间的相对位置矢量的计算。
[0032] 增量模块233确定移动目标110(或移动目标系统200)的位置在起始界限时间之间的变化。在一些实施例中,增量模块233使用公知为L1相位导航术的技术以将L1信号的相位测量值转换成移动目标110的位置变化。
[0033] 测量模块231处理接收到的卫星导航信号以按照包括起始界限时间和起始界限时间之间的时间的时间顺序确定移动目标110的卫星导航数据。这种处理包括测量或确定接收到的卫星导航信号的测量值。例如,测量值可以包括用于每一个卫星的伪距和L1以及L2相位测量,其中从所述每一个卫星接收导航信号。RTK模块232使用特定时间(例如,起始界限时间)的移动基站数据和移动目标卫星导航数据以产生RTK值,所述RTK值是所述特定时间的相对位置矢量。
[0034] 任选地,在其中需要移动目标110的绝对位置的应用中,RTK模块232使用移动基站数据确定移动基站120在一个或多个特定时间的位置(即,绝对位置)。可选地,确定模块(一个或多个)230从移动基站120接收指示移动基站120在一个或多个特定时间的位置的数据。在这些可选的实施方式中,移动基站120处理由其卫星接收机140(图1)接收到的卫星导航信号以产生移动基站在一个或多个特定时间的绝对位置值。可以通过使用诸如广域差分GPS或RTK(例如,使用固定基站170,图1)的各种导航辅助技术中的任一种来提高由移动基站120产生的绝对位置值的精度
[0035] 如以下相对于图7更加详细地所述,速度平滑模块236使用移动基站120的两个或更多个位置变化更新来确定移动基站120的平滑速度。
[0036] 向前投影(porjection)模块234使用移动基站120的位置自从过去时间中的特定时间(例如,起始界限时间)的已知变化、移动基站120的速度(例如,由模块236确定的移动基站120的平滑速度)、移动目标110的位置自动过去的时间中相同的特定时间的已知变化以及相同的特定时间的相对位置矢量来确定当前时间的投影的当前相对位置矢量,以确定当前时间的投影的当前相对位置矢量。以下参见公式1和相关论述。
[0037] 操作系统212和以上限定的模块和应用软件中的每一个对应于执行上述功能的一组指令。所述一组指令可以由移动基站系统200的一个或多个处理器202执行。上述限定的模块、应用软件或程序(即,多组指令)不需要作为单独的软件程序、过程或模块被执行,因此在各种实施例中,这些模块的各种子集可以合并或以其它方式重新排列。在一些实施例中,存储器210存储以上限定的模块和数据结构的子集。此外,存储器210任选地存储以上没有描述的另外的模块和数据结构。
[0038] 图2是与这里所述的实施例的结构简图相比较更加功能地描述可以存在于移动目标系统200中的各种特征。实际上,如本领域的普通技术人员所认识的,单独显示的项可以合并,而一些项可以分离。例如,图2中单独显示的一些项可以合并成一个模块或部件,并且可以使用两个或更多个模块或部件执行单个项。模块和部件的实际数量以及如何在这些模块和部件中分配特征在一个实施方式与另一个实施方式之间不同。
[0039] 图3是显示根据一些实施例的从移动基站120(图1)发送并在移动目标110(图1)处被接收和处理的信号(移动基站数据)的时序的时间图。顶部时间标度310表示移动基站120将数据(移动目标数据,包括卫星测量数据)发送给移动目标110的起始时间t0、t1......tk(每一个或所述时间是起始界限时间或与所述起始界限时间密切相对应)。例如,在时间t0时,数据从移动基站120被发送到移动目标110。在时间t0时,发送的数据包括卫星测量数据,所述卫星测量数据结合在移动目标110处获得的卫星信号测量被移动目标110所使用,以产生表示移动目标110相对于移动基站120在t0时的位置的相对位置矢量。另一组卫星测量数据通过移动基站120在时间t1时被发送到移动目标110。在一些实施例中,起始时间t0、t1......tk以一秒间隔出现。
[0040] 由移动基站120发送的数据在时间tr时到达移动目标110(参见时间标度320),其中时间tr充分晚于时间t0,使得必须考虑传输延迟和随后的处理以产生准确的相对位置矢量。以另一种方式表述,因为移动基站120正在移动,并且数据传输不是瞬时的,使用RTK以确定相对位置矢量要求用于移动基站120和移动目标110的卫星测量数据同步,并且确定当前时间的当前相对位置矢量要求将移动基站120的位置的变化投射到当前时间。用于在执行RTK计算的同时控制时序延迟的技术在这里被称作时间同步RTK。
[0041] 移动目标系统200的RTK模块232确定RTK值(也被称为“RTK解”),所述RTK值是每一个起始界限时间t0、t1......tk的移动目标110与移动基站120之间的相对位置矢量。确定移动目标110处的RTK解使用从移动目标110处接收到的卫星导航信号来确定的延迟移动基站数据和测量值。使用这种信息,RTK模块232确定每一个起始界限时间的移动目标110的准确的相对位置矢量或精确位置(例如,在小于或等于一厘米或几厘米)。
[0042] 与从移动基站120接收到的数据相关联的接收时间(tr)被标在时间标尺320上。如上所述,t0与tr之间的时间延迟是由于移动基站120与移动目标110之间的数据传输。
因此,对时间t0的时间同步RTK处理起始于tr。然而,由于计算延迟,RTK解可能不合适,直到随后的时间tp。换句话说,在时间tp处,获得的RTK解实际对应于时间t0。在确定时间t0的RTK解时,所使用的移动目标110的卫星导航数据必须对应于时间t0,而不是tp或tr,因此时间t0的卫星导航数据被缓存或存储在局部数据库中,直到RTK模块232可以使用所述卫星导航数据为止。从移动基站120发送到移动目标110的其它数据(例如,在起始界限时间之间发送的更新数据)经历类似的传输延迟,并且对每一种类型的数据的处理延迟将通常基于数据被处理的方式。
[0043] 显示在时间标尺310上的更新时间t01、t02......t0n(例如,短于一秒的预定时间间隔,例如对应于50Hz的20兆秒间隔或对应于25Hz的40兆秒间隔)对应于第一起始界限时间t0之后(并且类似地在例如t1和tk的其它起始界限时间之后)的时间。在一些实施例中,移动基站120发送以每一个最新时间更新的位置。在一个示例中,由于紧邻的先前起始界限时间,因此对于每一个更新时间,由移动基站120发送的更新信息表示位置和时间的变化,Δx、Δy、Δz和Δt。如上所述,更新信息使移动目标系统200接收和处理有限数量的时间。移动目标系统200处理更新信息以确定移动基站120的速度。在一些实施例中,移动目标110根据诸如时间t0(或t1......tk)的最后一个起始界限时间的RTK解,确定更新的相对位置矢量(即,在当前时间t0k)。在一些实施例中,移动目标110通过合并第一特定时间t0的RTK解与移动基站120和移动目标110的相对位置变化,确定当前的相对位置矢量(例如,最新时间t01、t02......或t0n中的任一个),如以下由方式1所示:
[0044] RPV(t0K)=RPV(t0)+ΔposMO-ΔposMB (公式1)
[0045] 其中,RPV(t0k)和RPV(t0)分别表示当前时间t0k和早些起始界限时间t0时的相对位置矢量。相对位置变化ΔposMo和ΔposMB分别对应于移动目标110和移动基站120在时间t0与t0k之间的位置变化。可以从接收到的卫星导航信号的变化的测量值“直接”(例如,使用L1连续增量相位导航术)确定移动目标110的位置的变化,或者可以根据移动目标110的速度和Δt=t0k-t0的行进时间使用公知的方法计算移动目标110的位置的变化(无论在哪种情况下,移动目标110的位置的变化是位置的投影变化)。进一步地,可以从移动目标110的位置的变化来确定移动目标110的速度。由于传输延迟,不能直接确定移动基站120的当前位置。因此,由两个部分计算移动基站120在时间t0与t0k之间的位置变化ΔposMB。第一部分是移动基站在时间t0与t0k之间的变化,所述变化可以使用移动基站处的连续增量相位测量“直接”确定,并且然后经由无线电通信被发送到移动目标。第二部分使用公知的方法根据移动基站120的速度和行进时间Δt=t0k-t0i确定目标基站的位置的投影变化。以下参见公式8和相关论述。移动基站的速度由移动基站120的位置的变化确定;这在以下更详细地被论述。
[0046] 图4是显示根据一些实施例的由移动目标110从移动基站120接收到讯息400的数据结构的方框图。讯息400是由移动基站120发送的一序列讯息400-1、400-2等。每一个接收到的讯息400包括许多数据域。讯息400的示例性数据记录结构包括以下数据域:
[0047] ·STX数据域410,所述STX数据域符号化讯息的开始并被限于某些字节(例如,8字节);
[0048] ·包括第一引导程序的引导程序1数据域412;
[0049] ·包括第二引导程序的引导程序2数据域414;
[0050] ·提供指令标识码的指令ID数据域416。指令ID的实例包括含有一个或多个卫星的卫星导航数据的ID识别讯息和含有位置更新数据的ID识别讯息。
[0051] ·表示讯息数据域420的长度的讯息长度数据域418;
[0052] ·讯息数据域420,所述讯息数据域420存储讯息文本并基于要被通信的信息包括各种数据(例如,子域保持特定型值);
[0053] ·校验和数据域422,所述校验和数据域422包括可以用于检测通信讯息中的误差的校验和;以及
[0054] ·符号化讯息的结束的ETX数据域424。
[0055] 在一些实施方式中,当讯息400是包括一个卫星的卫星导航数据的讯息(例如,在起始时间开始时被发送)时,讯息数据域420包括在讯息中提供其测量数据的移动基站120识别码(或者一般地说,识别移动基站的数据)、卫星PR码(或者一般地说,识别卫星的数据)、与测量卫星信号相关联的时间(例如,GPS时间标记值)、卫星信号分辨率质量信息、从移动基站120到卫星的伪距以及一个或多个卫星信号的载波相位测量值(例如,来自GPS卫星的L1和L2信号)。
[0056] 在一些实施方式中,当讯息400是位置更新讯息(例如,在更新时间t01、t02......t0n中的一个时发送的更新讯息)时,讯息数据域420包括移动基站120识别码、更新的时间、更新的时间增量(例如,更新时间与紧邻前一个时间之间的时间量)。
[0057] 图5A示出了从移动基站120接收到的数据的数据库214的数据结构。数据库包括对于每一个起始时间(例如,一秒间隔)从移动基站120接收到的数据550。数据550由移动目标系统200保持的起始时间的数量可以取决于存储器的可用量、使用该信息的应用软件的需要等。各个起始时间的数据550包括初始测量数据552和位置更新的顺序554。在起始时间开始时由移动基站120发送的初始测量数据552包括多个卫星中的每一个的测量数据560。在一些实施例中,卫星中的任一个的测量数据560包括卫星识别器561、时间标记562(例如,指示起始时间的开始时间的GPS时间标记)、指示在移动基站120处接收到的卫星信号的质量的一个或多个信号分辨率值、从移动基站120到卫星的伪距564以及L1和L2相位测量。在其它实施例中,这些域中的一些可以被省略或合并,并且可以包括另外的域。例如,可以为所有卫星测量设置一个时间标记562。
[0058] 在一些实施例中,由移动基站120发送的单个位置更新的位置更新数据554包括位置574的变化;指示对应于位置更新值574的时间的时间标记和/或时间增量值(指示自从最近的起始界限时间的时间的量)572;和任选地包括卫星信息576(例如,指示位置更新所基于的卫星的数量)以及方差协方差信息。
[0059] 图5B是根据一些实施例的显示任选的移动基站位置数据库218的数据结构的方框图,图5C是显示移动目标位置数据库220的数据结构的方框图。如上所述,在需要移动目标110的绝对位置的实施方式中,对于起始边界时间t0、t1......tk中的每一个,除了由移动基站120发送的卫星导航数据之外,移动目标110(图1)任选地从移动基站120(图1)接收位置信息。在一些实施例中,移动目标系统200将接收到的位置信息存储在移动基站数据库218的数据记录500-1至500-K中。存储在各个数据记录(例如,数据记录500-2)中的位置信息包括存储移动基站120的初始位置PMB的数据域510和存储分别对于最新时间t01、t02......t0n来说移动基站120的位置变化(ΔPMB)01、(ΔPMB)02......(ΔPMB)0n的N个位置变化数据域512-1至512-N。
[0060] 在每一个位置数据记录500中,初始位置PMB510是移动基站120在起始时间开始(即,在起始界限时间)(例如,图3中的t1)时的位置。初始位置PMB可以源自于在移动基站120处接收并经由通信信道150(图1)通信给移动目标110的卫星导航信号。可选地,可以在移动目标110处从由移动基站120经由通信信道150发送到移动目标110的卫星导航数据推导出初始位置PMB。
[0061] 位置变化(例如,(ΔPMB)11、(ΔPMB)12......(ΔPMB)1N)表示在特定起始界限时间(例如,t1)之后移动基站120的对应于更新时间(例如,图3中所示的更新时间t11、t12......t1N)的变化。在一些实施例中,在移动基站120处,由接收到的卫星导航信号使用公知的方法得出位置变化((ΔPMB)11、(ΔPMB)12......(ΔPMB)1N)),然后将该位置变化经由通道150(图1)通信给移动目标110。另外,当移动目标系统200不能接收到位置更新讯息时(,例如,由于噪声或其它问题),移动目标系统可以任选地使用如由先前接收到的移动基站120的位置信息(例如,初始位置510和一个或多个接收到的位置更新512)获得的移动基站120的速度和移动基站120的最后一个已知位置“填充”遗漏的位置更新512。
[0062] 图5C中所示的移动目标位置数据库220存储与以上相对于图5B所述的移动基站位置数据库218类似的信息。存储在数据记录520-1至520-K中的移动目标110的位置对应于在连续起始时间期间移动目标110的绝对位置。每一个数据记录(例如,数据记录520-2)包括存储移动目标110在起始时间开始时的初始位置PMO和存储移动目标110的位置变化((ΔPMO)11、(ΔPMO)12......(ΔPMO)1N))的N个位置变化数据域516-1至516-N。在一些实施例中,移动目标110的初始位置PMO是使用从移动基站120接收到的移动基站120的(或根据从移动基站120接收到的移动基站120的卫星导航数据在移动目标110处得到的)初始位置PMB由移动目标系统200的RTK模块232计算的RTK值。
[0063] 移动目标位置变化((ΔPMO)11、(ΔPMO)12......(ΔPMO)1N))表示在起始边界时间(例如,t1)之后移动目标110对应于更新时间(例如,图3中所示的更新时间t11、t12......t1N))的位置变化。在一些实施例中,通过将公知的方法应用到接收到的卫星导航信号由移动目标系统200(图2)计算这些位置变化。
[0064] 在一些实施例中,向前投影模块234结合移动120在起始界限时间(例如,t1)时的位置、起始界限时间的相对位置矢量RPV(t1)和移动目标110的位置变化以确定移动目标110在当前时间(例如,更新时间t1K)的位置,如由以下公式2表示:
[0065] PMO(t1K)=PMB(t1)+RPV(t1)+(ΔPMO)1K (公式2)
[0066] 其中,PMO(t1K)表示移动目标110在更新时间t1k时的位置,PMB(t1)表示移动基站120在起始界限时间t1时的位置,RPV(t1)表示在起始界限时间t1时的相对位置矢量,以及(PMO)1K是移动目标110在起始界限时间t1与更新时间t1K之间时的位置的变化。
[0067] 图6是显示根据一些实施例的在移动目标系统200中相对位置矢量数据库222的数据结构的方框图。由移动目标系统200存储在数据库222的数据记录600-1至600-K中的相对位置矢量对应于连续的起始时间。如图6所示,在一些实施例中,这些数据记录600中的每一个包括初始数据域610和N个更新数据域612-1至612-N。初始数据域610存储在各个起始时间开始时的起始界限时间(例如,在起始时间开始2时,起始界限时间t1)确定的初始的相对位置矢量RPV(t1)。在一些实施例中,通过确定模块230(图2)使用从移动基站120对于起始界限时间t1所接收到的卫星导航数据和在相同的起始界限时间t1由移动目标110接收到的卫星导航信号的测量值确定初始相对位置矢量RPV(t1)。相对位置矢量表示移动目标和移动基站的位置的差,如由公式3表示:
[0068] RPV(t1)=PMO(t1)-PMB(t1) (公式3)
[0069] 其中,PMO(t1)是移动目标110在时间t1时的位置,PMB(t1)是移动基站120在时间t1时的位置。数据域612-1至612-N存储在起始界限时间t1之后相对位置矢量的对应于更新时间t11、t11.....t1N的更新值。在一些实施例中,根据公式4通过移动目标系统200确定更新时间的相对位置矢量RPV(t11):RPV(t)
[0070] RPV(t11)=RPV(t1)+ΔposMO-ΔposMB (公式4)
[0071] 其中,RPV(t1)是在起始界限时间t1时的初始相对位置矢量,ΔposMO和ΔposMB是移动目标110和移动基站120在起始界限时间t1与各个更新时间t11之间的位置的变化。
[0072] 图7A-7C示出了根据一些实施例的用于对于时间顺序产生表示移动目标110相对于移动基站的相对位置的相对位置矢量(也被称作基线矢量)的方法700的流程图。方法700可以通过移动目标系统200在存储在存储器210(图2)中的由移动目标系统200的一个或多个处理器(202,图2)运行的指令的控制下来实现。图7A-7C所示的每一个操作都对应于存储在移动目标系统200中的存储器210的计算机可读存储介质中的计算机可读指令。计算机可读指令是源代码、汇编语言代码、目标代码、或被移动目标系统200的一个或多个处理器解释和/或运行的其它指令格式。
[0073] 移动目标系统200(图2)经由卫星接收机204(图2)从卫星115(图1)接收卫星导航信号(710)。测量或处理卫星导航信号以产生测量值,从而产生用于移动目标110的卫星导航数据(712)。在一个示例中,用于移动目标110的卫星导航数据对于从其接收卫星导航信号的每一个卫星来说包括诸如GPSL1信号和L2信号的一个或多个卫星信号的伪距测量和相位测量。例如,用于移动目标110的卫星导航数据对应于起始界限时间(714)(例如,图3中所示的时间t0、t1......tk中的任一个)。
[0074] 随后,移动目标110经由通信信道150和通信接收器206(图2)从移动基站120(图1)接收移动基站数据(720)。接收到的移动基站数据对应于在当前时间(722)之前的起始界限时间(例如,图3中所示的时间t0、t1......tk中的任一个)。
[0075] 移动基站数据包括移动基站120的卫星测量数据(724)。卫星测量数据通过移动基站120从由多个卫星115接收到的卫星导航信号产生(724)。包括从移动基站120接收到的卫星测量数据的特定信息的实例在以上参照图4和图5A被描述。
[0076] 在一些实施例中,移动目标110从移动基站120接收移动基站120的多个连续位置变化更新(726)。连续位置变化更新对应于在最后一个起始界限时间(例如,t1)之后的多个更新时间(例如,在起始界限时间t1之后的更新时间t11、t12......t1N),其中对于所述更新时间,已经从移动基站120接收到卫星测量数据。移动目标110经由通信信道150和通信接收器206接收连续位置变化更新(728),并将所述连续位置变化更新存储在移动基站接收数据数据库214中,如以上相对于图5A所述。
[0077] 任选地,使用从移动目标系统200接收到的卫星导航数据由移动目标系统200的确定模块230(图2)确定移动基站120的绝对位置(与相对位置相对)(730)。例如,对于起始界限时间(例如,t0或t1)确定移动基站120的位置。可选地,移动基站120使用RTK确定该移动基站相对于固定基站的位置,并且将确定后的位置经由通信信道150发送给移动目标系统200(732)。在需要移动基站120和/或移动目标110的位置的高度精确的测量的实施方式中确定移动基站120相对于固定基站的位置。在其它实施方式中,使用在移动基站处可用的最好的位置解,在移动基站120处确定移动基站120的位置。例如,可以通过移动基站从选自由以下所构成的组中选择的一组两个或更多个解来选择最好的位置解:独立解、宽域增大系统解、整体差动位置解以及实时动态(RTK)解。
[0078] 移动目标系统200的确定模块230确定移动目标110相对于移动基站120的相对位置矢量(740)。确定模块230使用从移动基站120接收到的卫星导航数据和从卫星115接收到的卫星导航数据来确定相对位置矢量。
[0079] 在一些实施例中,RTK模块232通过对于起始界限时间(例如,图3中所示的时间t0)产生相对位置矢量的RTK值(即,有时称作RTK解)确定相对位置矢量。RTK模块232使用对于起始界限时间t0在时间tr延迟地(图3)接收到的移动基站卫星导航数据和对应于起始界限时间t0的卫星导航数据确定RTK解。在一些实施例中,当确定相对位置矢量时,RTK模块232比较其自身的在移动目标110处接收到的卫星导航信号的相位测量与从移动基站120接收到的移动基站卫星导航数据。
[0080] 任选地,根据对于起始界限时间t0来说移动基站120的位置PMB(t0)和在同一起始界限时间时的相对位置矢量RPV(t0)的值,确定模块230(在移动目标110处)确定对于起始界限时间(例如,t0)来说移动目标110的位置PMO(t0)(748),如由公式5所示:
[0081] PMO(t0)=PMB(t0)+RPV(t0) (公式5)
[0082] 在一些实施例中,根据在前一个起始界限时间t0时移动基站120的位置PMB(t0)、用于前一个起始界限时间t0的相对位置矢量以及在移动目标110的位置的变化,确定模块230确定移动目标110在当前时间t0k时的位置PMO(t01)(750),如由公式6所示:
[0083] PMO(t01)=PMB(t0)+RPV(t0)+ΔPMO(t01-t0) (公式6)
[0084] 其中,RPV(t0)表示对于起始界限时间t0来说的相对位置矢量,并且ΔPMO(t01-t0)表示移动目标110在当前时间与起始界限时间之间的位置的变化。
[0085] 在一些实施例中,如果例如由于移动目标系统200移动靠近障碍物或在障碍物下面而导致对于移动目标系统200需要测量卫星导航信号的任意具体时间来说移动目标系统200不能接收这些信号,则移动目标系统200“桥接”在数据遗漏周期上。移动目标系统200通过外推移动目标系统的位置或所述位置的变化来实现这个。具体地,移动目标系统
200例如通过使用类似于如下所述用于确定移动基站120的速度的计算的计算,来计算移动目标系统200的速度VMO。接着,通过使确定的速度VMO乘以数据遗漏周期的长度Δt来计算对于数据遗漏周期来说移动目标系统200的位置ΔPMO的变化。
[0086] 在一些实施例中(752),确定模块230对于当前时间t0k根据起始界限时间t0的相对位置矢量RPV(t0)、移动目标110的位置的变化ΔPMO(t0k-t0)以及根据移动基站120的速度,来确定的移动基站120的位置的投影变化ΔPMB(t0k-t0)确定相对位置矢量RPv(t0k),如公式7和8所示:
[0087] RPV(t0k)=RPV(t0)+ΔPMB(t0k-t0)-ΔPMO(t0k-t0) (公式7)
[0088] 其中ΔPMB(t0k-t0)使用移动基站120的速度被部分投影,这是因为由于通信延迟而在移动目标110不能获得当前移动基站120增量位置。例如,如果时间t0i是已经从移动基站120接收到位置更新的最后一个时间,则ΔPMB(t0k-t0)可以如下计算:
[0089] ΔPMB(t0k-t0)=ΔPMB(t0i-t0)+VMB·(t0k-t0i) (公式8)
[0090] 其中(t0k-t0)是当前时间与移动目标已经接收到移动基站更新的最后一个更新时间之间的逝去时间,而VMB是移动基站120的速度。更通常地说,当自从最后一个起始界限时间移动目标已经从移动基站接收到一个或多个更新时,对于当前时间来说,相对位置矢量的计算考虑:(A)移动基站的位置从第一特定时间(最后一个起始界限时间到第二特定时间(从移动基站接收到更新的最后一个时间)之间的变化,和(B)移动基站的位置从第二特定时间到当前时间的投影变化。通过移动目标系统200从由移动目标系统200的卫星接收机204接收到卫星导航信号的变化来确定移动目标110的位置变化ΔPMO(t0k-t0)。
[0091] 在一些实施例中,当满足预定判据时,对于在起始界限时间(例如,时间t1,或更具体地tJ)时的相对位置矢量,确定位置扩展计算值(756)。如下所述,预定判据对应于其结果表示RTK解的低置信度的计算。通过使用RPV(T0)、ΔPMO、ΔPMB来确定RPVPP,如由公式9所示,其中RPVPP是用于起始界限时间(例如,tJ)的用于相对位置矢量的位置扩展值,RPV(t0)是在先特定时间(例如,t0)的相对位置矢量,ΔPMO是移动目标110的位置变化,ΔPMB是移动基站120在当前起始界限时间(例如,tJ)与在先起始界限时间(例如,t0)之间的时间间隔(例如,一秒)中的位置的变化:
[0092] RPVPP=RPV(t0)+ΔPMB-ΔPMO (公式9)
[0093] 此外,当满足预定判据时,通过组合相对位置矢量的RTK值与相对位置矢量的位置扩展计算值(即,RPVPP),确定模块230确定起始界限时间tJ的相对位置矢量,如由公式10所示:
[0094] RPV=RPVRTK+RRTK·(RRTK+RPP)-1·(RPVPP-RPVRTK) (公式10)
[0095] 其中RRTK和RPP分别表示RTK解(即,RPVRTK)的方差协方差矩阵和位置扩展值(即,RPVPP)。在一些实施例中,当不满足预定判据时,起始界限时间的相对位置矢量由RTK解(即,RPVRTK)限定。公式10表示RTK值的加权和和相对位置矢量的位置扩展计算值。在该-1加权和中,公式10中的因子RRTK·(RRTK+RPP) 是赋值给相对位置矢量的位置扩展计算值的-1
权重,而1-RRTK·(RRTK+RPP) 是赋值给相对位置矢量的RTK值的权重。
[0096] 在一些实施例中,预定判据基于RTK解的方差协方差矩阵和位置扩展值的特征(758)。例如,当RRTK矩阵中的对元素大于矩阵RPP中的对角元素的总和时,可以考虑满足判据。
[0097] 在一些实施例中,根据一个或多个位置变化更新,例如从移动基站120接收到(例如,在图3中所示的更新时间t01、t12......t0N中的更新时间t0J处)的ΔPMB(t0j)和移动目标100在前一个起始界限时间t1与更新时间t0J之间的位置变化ΔPMO,确定模块230可以确定RPV(t1),其中RPV(t1)是指在起始界限时间(例如,t1)时用于更新时间的更新相对位置矢量,如由公式11所示:
[0098] RPV(t1)=RPV(t0J)-ΔPMB+ΔPMO (公式11)
[0099] 其中,RPV(t0J)是被确定用于更新时间t0J(根据ΔPMB(t0j)和移动基站120的位置在更新时间t0J与先前的起始界限时间t0之间的变化的相对位置矢量,ΔPMO是移动目标110的位置在时间t1与更新时间t0J之间的变化,而ΔPMB根据ΔPMB(t0j)限定,如由公式
12所示:
[0100] ΔPMB=(ΔPMB(t0j)).(t1t0J)/(t0J-t0) (公式12)
[0101] 在一些实施例中,根据从移动基站120接收到的移动基站120的两个或更多个位置变化,确定模块230确定移动基站120的速度(762),如由公式13所示:
[0102] VMB=(ΔPMB(tJ-t0)-ΔPMB(tJ-1-t0))/(tJ-tJ-1) (公式13)
[0103] 其中,ΔPMB(tJ-t0)和ΔPMB(tJ-1-t0)是在移动目标110处接收到的用于相对于起始界限时间t0的更新时间tJ和tJ-1的移动基站120的相应位置变化。在一些实施例中,更新时间tJ和tJ-1是在起始界限时间t0之后的特定时间中的两个。
[0104] 由于例如在公式8中使用的移动基站120的速度可能非常有噪点,因此在一些实施例中,速度平滑模块236(图2)根据历史信息(例如,移动基站120的两个或更多个位置变化)确定移动基站120的平滑速度(764),如由公式14所示:
[0105] (公式14)
[0106] 其中VSMB(tJ)是对于时间tJ来说移动基站120的平滑速度,VSMB(tJ-1)是对于先前的时间tJ-1来说移动基站120的平滑速度,VMB(tJ)是对于时间tJ来说移动基站120的非平滑速度(例如,使用公式13确定),并且c是平滑常数。平滑常数c通常在2与10之间,并且更通常地平滑常数c在2与50之间。在一些实施例中,平滑常数c的值取决于移动基站速度变化的观察到的动态,并且可以是大于1的任意数。
[0107] 在一些实施例中,确定模块230根据移动基站120在起始界限特定时间t0时的位置PMB(t0)和移动基站120的速度VMB(如根据公式13或14确定)确定移动基站120在当前时间t01时的投影位置ΔPMB(t01)(766),如由公式15所示:
[0108] PMB(t01)=PMB(t0)+VMB·(t01-t0) (公式15)
[0109] 其中(t01-t0)是当前时间与起始界限时间之间的逝去时间。
[0110] 移动目标系统200(图2)将信号发送(例如,使用通信接口208)给主机系统160(图1),以将对应于移动目标110的相对位置矢量和/或位置的信息报告给主机系统
160。
[0111] 为了说明,已经参照具体的实施例描述了上述说明。然而,以上说明性论述不旨在是穷举的或将本发明限制到所公开的精确形式。可以考虑以上教导进行多种修改和改变。选择和说明所示实施例以最好地说明本发明的原理及其实际应用,从而能够使本领域的技术人员最好地利用本发明,并且进行各种修改的各种实施例适于所构思的具体用途。
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