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      衛(wèi)星定位系統中的海拔高度輔助的制作方法

      文檔序號:6091460閱讀:254來源:國知局
      專利名稱:衛(wèi)星定位系統中的海拔高度輔助的制作方法
      技術領域
      本發(fā)明一般涉及衛(wèi)星定位系統接收器,并且更具體地涉及海拔高度輔助衛(wèi)星位置接收器。
      背景技術
      已經開發(fā)了衛(wèi)星定位系統(SATPS),其使得SATPS接收器能夠在從多個衛(wèi)星接收到SATPS擴展頻譜信號時確定位置。SATPS的示例是由美國政府維護的全球定位衛(wèi)星(GPS)。為了確定SATPS接收器的位置(緯度、經度和海拔高度),SATPS接收器必須獲取四個衛(wèi)星。然而,在都市和郊區(qū)的室內或戶外環(huán)境中,可能獲取少于所需的衛(wèi)星。此外,強信號遮蔽和信號衰減可能不利地影響SATPS接收器獲取衛(wèi)星的能力。如果獲取四個衛(wèi)星,則可以確定三維位置。如果獲取三個衛(wèi)星,則如果海拔高度已知,就可以確定二維位置(緯度和經度)。如果海拔高度不是充分巳知,例如當SATPS接收器用于諸如山脈的不平海拔區(qū)域中時,進一步影響使用三個衛(wèi)星的準確二維位置。一種幫助在獲取三個衛(wèi)星的情況下進行位置確定的方案采用了使用最后從四個所獲取的衛(wèi)星計算出的巳知海拔高度的算法。然而,SATPS接收器的海拔高度相對于最后巳知海拔高度改變得越多,則導致SATPS接收器位置確定的位置誤差就越大。
      因此,需要用于在僅僅三個衛(wèi)星可獲取時確定SATPS接收器的位置的方法和系統,其克服了上面闡述的多個缺點和先前經歷的其它缺點。

      發(fā)明內容
      按照本發(fā)明的系統提供了一種方案,其用于在僅僅獲取三個SATPS衛(wèi)星時,利用數字海拔高度數據在SATPS中確定位置。從SATPS衛(wèi)星獲得三個SATPS測量,并且從地形數據庫獲得數字海拔高度數據。使用三個偽范圍方程和海拔高度方程來確定SATPS接收器的位置。
      對于本領域的技術人員而言,通過參閱以下附圖和詳細描述,本發(fā)明的其它系統、方法、特征和優(yōu)點將是清楚的或者將會變得清楚。所有這樣的附加系統、方法、特征和優(yōu)點意欲包括在本描述內、在本發(fā)明的范圍內、并且由所附權利要求保護。


      附圖中的各部件不一定是按比例的,而是將重點放在示出本發(fā)明的原理上。在附圖中,貫穿不同的視圖,相同的附圖標記指定對應的部分。
      圖1示出了具有四個衛(wèi)星和SATPS接收器的衛(wèi)星定位系統(SATPS)。
      圖2是與具有數字地形海拔數據的服務器通信的、圖1的SATPS接收器的方框圖。
      圖3是對圖2的數字地形海拔數據采用的雙線性插值的圖。
      圖4是在圖3中識別的四個豎高高度(orthometric height)的圖示。
      圖5是用于使用具有數字地形海拔數據的SATPS接收器確定位置的步驟的流程圖。
      具體實施例方式
      首先,轉向圖1,該圖示出了衛(wèi)星定位系統(SATPS)100,其具有與四個衛(wèi)星106、108、110和112通信的、位于陸地104上的SATPS接收器102。SATPS接收器102通過天線114從四個衛(wèi)星106、108、110和112接收SATPS擴展頻譜信號116、118、120和122。以相同頻率發(fā)射四個SATPS擴展頻譜信號116、118、120和122。理想的是,SATPS接收器102從盡可能多的衛(wèi)星接收SATPS擴展頻譜信號,但是為了求解位置,如x、y和z或緯度、經度和海拔高度坐標,在知道接收器海拔高度的情況下,SATPS系統100中的至少三個SATPS衛(wèi)星必須與SATPS接收器102通信。否則,需要至少四個SATPS衛(wèi)星。
      作為對來自衛(wèi)星106、108、110或112之一的SATPS擴展頻譜信號的替換,基于陸地的偽裝置(pseudollite)126可以將SATPS擴展頻譜信號128發(fā)射到SATPS接收器102。SATPS接收器102仍然需要三個擴展頻譜信號并知道海拔高度,以便確定SATPS接收器102的位置。在另一實現中,諸如在蜂窩電話中的組合無線設備和SATPS接收器102可以從偽裝置126接收海拔高度信息。略舉數例,在其它實現中,可以由諸如PCS系統的無線數據網絡、藍牙系統、專用無線數據網絡、以及在電視載波內傳送海拔高度信息。
      在圖2中,示出了與具有數字地形海拔數據的服務器250通信的、圖1的SATPS接收器102的方框圖。SATPS接收器102通過天線114在無線電收發(fā)器202處獲取三個SATPS擴展頻譜信號,如116、118和120。在導航處理器208的控制下,濾波器206對SATPS擴展頻譜信號進行濾波。導航處理器208耦接到濾波器206、時鐘210、存儲器212和接口216。時鐘210可以從振蕩器提供多個時鐘信號,以便幫助獲取和處理SATPS擴展頻譜信號,并且還為導航處理器提供定時,以便向和從濾波器206、存儲器212和接口216傳輸數據。接口216可以耦接到顯示器214,或者可以由接口216輸出位置輸出數據。
      在當前實現中,沒有將地形數據庫從服務器250傳遞到SATPS接收器102。相反地,將代碼相位(code phase)從SATPS接收器102發(fā)送到服務器250。在服務器250中,將這些代碼相位轉換成偽范圍測量。使用地形數據庫的位置確定計算不是在208中進行的。相反地,在250的處理器,如控制器256中進行計算。
      如果SATPS接收器102能夠僅僅接收或者獲取三個SATPS擴展頻譜信號,如116、118和120,則導航處理器208將與SATPS衛(wèi)星信號相關聯的代碼相位信息提供給服務器250。服務器250被示出通過服務器收發(fā)器252與SATPS接收器102進行無線電通信。服務器250具有控制器256,其連接到服務器收發(fā)器252、時鐘258、存儲器260、數字地形海拔數據存儲器262和網絡接口266。時鐘可以提供多個定時信號,用于由服務器收發(fā)器252、控制器256、存儲器260和數字地形海拔數據存儲器262使用??刂破?56通過數據總線264連接到存儲器260和數字地形海拔數據存儲器262??刂破鬟€耦接到網絡接口266,其使得服務器250能夠與更大的網絡進行通信。網絡可以是PCS網絡、蜂窩網絡、PSTN網絡、藍牙網絡或者其它公知的有線或無線類型的網絡。
      可以將由控制器256執(zhí)行并控制服務器250的操作的指令包含在存儲器260中。存儲器260可以是任何類型的接受和存儲可機讀指令的存儲器或存儲設備。存儲器260和數字地形海拔數據存儲器262被示出為獨立的存儲器,但是在其它實現中,可以僅僅采用一個存儲器。
      由服務器收發(fā)器252通過天線254從SATPS接收器102接收用于利用數字地形海拔數據的處理的請求,并且在存儲器260中的可機讀指令的控制下由控制器256處理它。來自SATPS接收器的請求包含與適當的SATPS衛(wèi)星106、108和110相關聯的代碼相位。服務器250可以使用來自SATPS接收器102的代碼相位,確定估算位置。在其它實現中,來自SATPS接收器102的請求可以包含SATPS接收器102的位置的估算??刂破?56通過數據總線264訪問數字地形海拔數據存儲器262,以便檢索與SATPS接收器102的估算位置相關聯的數字地形海拔數據。在服務器250處估算SATPS接收器102的位置的示例包括使用SATPS接收器102的最后已知位置、或采用無線電收發(fā)器202的有向天線和巳知功率設置的三角測量方案。
      然后,由控制器256處理來自數字地形海拔數據存儲器262的數字地形海拔數據,以便確定接收器102的位置。一旦確定了SATPS接收器102,就由服務器收發(fā)器252通過天線254將包含該位置的消息發(fā)送到SATPS接收器102。在另一實現中,由控制器256并且通過天線254,將來自數字地形海拔數據存儲器262的數字地形海拔數據發(fā)送到服務器收發(fā)器252,然后傳送到SATPS接收器102,并且導航處理器208使用所接收的數字地形海拔數據,確定SATPS接收器102的位置。在其它實現中,可以將數字地形海拔數據包含在網絡內的公共地方,并且服務器250將通過網絡接口266訪問該公共地方。
      數字地形海拔數據的示例包括用于商業(yè)和公眾使用的1999 NIMA標準數字數據集(DTED)級別0。DTED提供世界范圍的覆蓋,并且是地形海拔值的統一矩陣,其提供地形海拔、斜度和/或表面凹凸不平信息的基本定量數據。DTED級別0海拔標志(post)間距是30弧秒(arc seconds)(大約1公里)。除了分立(discrete)的海拔文件之外,單獨的二進制文件可以提供在30弧秒正方形區(qū)域中計算出的最低、最高和平均海拔值。數字地形海拔數據的另一示例是具有30弧秒間距的GTOPO30。該數字海拔模型從地形信息的幾個柵格(raster)和矢量源導出。
      存儲器212、260和262可以是RAM、DRAM、SDRAM、EEPROM,RAM、DRAM、SDRAM和EEPROM的組合,或任何其它類型的可讀/寫存儲器。本領域的技術人員應當理解,可以將與本發(fā)明一致的系統和方法的全部或部分存儲在其它可機讀介質中或從其讀取,例如,諸如硬盤、軟盤和CD-ROM的次級存儲設備;從網絡接收的信號;或者當前公知的或以后開發(fā)出的其它形式的ROM或RAM。此外,雖然描述了SATPS 100的具體部件,但是本領域的技術人員應當理解,適合與按照本發(fā)明的方法、系統和產品一起使用的定位系統可以包含附加的或不同的部件。例如,導航處理器208可以是微處理器、微型控制器、專用集成電路(“ASIC”)、用作中央處理單元的其它類型的電路的分立體或組合體。
      隨同代碼相位一起處理數字地形海拔數據,以便確定SATPS接收器102的位置。導航處理器208采用從三個SATPS擴展頻譜信號檢索的數據和數字地形海拔數據,形成四個聯立方程。從數字地形海拔數據導出的第四方程是對適當地形的多項式(以緯度φ和經度λ的2個變量)曲面擬合的結果。為了從位于服務器250內的數字地形海拔數據存儲器262中的數字地形海拔數據選擇適當的地形,首先針對固定高度“h”求解來自三個衛(wèi)星106、108和110的SATPS擴展頻譜信號116、118和120。最初,可以將固定值“h”指定為在基站附近的“h”的平均值(不同于公知的使用“h”的先前值的方案)。固定的“h”中的誤差是“h”的平均值和最小或最大值之間的差值的絕對值。利用該信息,具有固定“h”的三個SATPS衛(wèi)星位置的求解與估算誤差橢圓一起出現。
      由導航處理器208構造沿著誤差橢圓的長軸和短軸方向的網格點。使步長的大小(沿著長軸和短軸的方向)分別與長軸和短軸的大小成比例(1.5倍)。在其它實現中,可以采用沿著長軸和短軸的其它步長大小。橢圓的中心是根據三個SATPS衛(wèi)星信號116、118、120和固定的“h”確定的二維位置。在其它實現中,步長大小可以不同。在當前實現中,在網格中選擇了25個點。在其它實現中,可以選擇不同數目的點。通過索引該網格點所處的四個角點,然后使用角點之間的雙線性插值,從數字地形海拔數據(DTED)獲得在這些點的高于平均海平面的海拔高度值。通過在從三個SATPS衛(wèi)星信號116、118和120以及固定的“h”確定的三個SATPS衛(wèi)星求解點處添加從地心引力模型(EGM-84)導出的大地水準面“N”間隔(Geoid“N”separation),將所獲得的高度值“H”轉換成全球大地基準點(World Geodetic Datum)(WGS-84)??梢圆捎玫匦囊δP虴GM-96或其它類型的地心引力模型來確定大地水準面“N”間隔。
      對于φ、λ和“h”的25個點的網格,使用最小二乘法(LSQ)得到以φ和λ表示的四階多項式,從而導致需要確定15個系數。為了處理不良條件(illconditioning),以表示與中心點的成比例偏差的新變量得到多項式(從三個SATPS衛(wèi)星信號116、118和120以及固定的“h”確定的三個SATPS衛(wèi)星求解)。使用Q-R分解的數值方法,例如改進的Gram-Schmidt(革蘭-施密特)過程,其僅僅使Q正交而不是標準正交(以避免平方根運算)。
      網格點海拔高度與曲面擬合的最大偏差是與該第四多項式方程相關聯的誤差。如果該誤差超過某誤差閾值,則否決該多項式擬合,并且需要多于一次多項式曲面擬合。在其它實現中,可以采用不同的誤差閾值。如果沒有超過誤差閾值,則僅僅需要一次多項式曲面擬合。
      求解與三個SATPS衛(wèi)星信號116、118和120相關聯的三個多項式方程、以及從地形海拔數據獲得的第四多項式方程,以獲得曲線坐標φ、λ、H和時鐘偏差的曲面坐標、而不是使用陸地中心陸地固定(ECEF)坐標。保留ECEF坐標公式,并且由以相應的Jacobian(雅可比)工作的導航處理器208將其從ECEF改變到WGS 84曲線坐標,其中Jacobian是從微分ECEF坐標到微分曲線坐標的坐標變換。如果存在收斂,則如果它屬于多項式曲面擬合的區(qū)域,就接受收斂解。
      當確定了SATPS接收器102的位置并且由SATPS接收器102接收時,導航處理器2085通過接口216將位置顯示在顯示器214上。在其它實現中,數字地形海拔存儲器262可以作為獨立的存儲器,被包含在位于SATPS接收器102中的數字地形海拔數據存儲器內,或者可以在存儲器212內。在其它實現中,SATPS接收器102僅僅是諸如蜂窩電話或其它無線設備的較大設備的模塊,其中通過位置數據輸出218將位置數據輸出到該設備內的另一模塊。
      在圖3中,示出了采用圖2的數字地形海拔數據的雙線性插值的圖。通過行304和列306,從西南角302(φr,λr)訪問1×1度數增量的數字地形海拔數據的表300。給定緯度φu和經度λu,得到表300(DTED數據文件)的最近西南角302,并且將其用作在表300中查找索引的基準。該索引用來檢索H。在其它實現中,可以通過對方程進行適當的修改來使用可用數字地形海拔數據的不同位置或角、以及不同于DTED的數據類型。該方程為
      y=λu-λr其中λr可用DTED數據文件的西南角的基準經度。
      λu先驗的/用戶經度。
      y度數差(經度)。
      x=φu-φr其中φr可用DTED數據文件的西南角的基準緯度。
      φu用戶緯度。
      x度數差(緯度)。
      brow=[y*3600&Delta;&lambda;spacing]]]>其中Δλspacing30″弧秒的DTED級別0網格間距。
      y度數差。
      brow 在范圍
      中的、在DTED數據文件內的整數行值。
      bcol=[x*3600&Delta;&phi;spacing]]]>其中Δφspacing30″弧秒的DTED級別0網格間距。
      x度數差。
      bcol 在范圍
      中的、在DTED數據文件內的整數列值。
      brow 304和bcol 306的值用來在數據文件中查找索引,然后該索引使得能夠訪問海拔高度值H3、緯度φ3和經度λ3。
      轉向圖4,示出了在圖3中識別的四個豎高高度的圖400。分別從(brow+1)和bcol、(brow+1)和(bcol+1)、以及brow和(bcol+1)中獲得豎高高度H1408、H2406和H4404。然后,由下式獲得在φu和λu的Hx&prime;=(&phi;u-&phi;3)3600(&Delta;&phi;spacing-bcol)]]>其中x′根據基準緯度、緯度網格間距和DTED列位置的加權比。
      y&prime;=(&lambda;u-&lambda;3)3600(&Delta;&lambda;spacing-brow)]]>其中y′根據用戶/基準經度、網格間距和DTED列位置的加權比。
      Hi=H1+(H2-H1)·x′+(H4-H1)·y′+(H1+H3-H2-H4)·x′·y′其中H1,…,H4表示給定搜索出的行和列結果中的4個豎高高度。
      Hi確定插值豎高高度和這些點中的25個。
      為了估算25個點的“h”,需要從作為φu和λu的函數的EGM-84模型估算大地水準面N,該處理與從DTED確定H相同。一旦估算了N,就使用按照N的線性偏移來確定“h”。
      通過求解下式,確定根據三個衛(wèi)星信號方程(偽范圍)和平均值“h”的LSQ解。
      &rho;1=(s1x-px)2+(s1y-py)2+(s1z-pz)2&CenterDot;(1-m1)+b]]>&rho;2=(s2x-px)2+(s2y-py)2+(s2z-pz)2&CenterDot;(1-m2)+b]]>&rho;3=(s3x-px)2+(s3y-py)2+(s3z-pz)2&CenterDot;(1-m3)+b]]>h=(p&prime;x-px)2+(p&prime;y-py)2+(p&prime;z-pz)2&CenterDot;sgn(h)]]>其中(s1x,S1y,S1z)是在接收時間,SATPS衛(wèi)星“i”的天線相位中心的ECEF坐標,(px,py,pz)是SATPS接收器102的天線114相位中心的ECEF坐標,“b”是偽范圍測量中的共同偏移量,mi是衛(wèi)星平均運動校正項(下面給出),(p′x,p′y,p′z)是在WGS-84橢圓體上的(px,py,pz)的投影的ECEF坐標,ρi是SATPS衛(wèi)星i的測量偽范圍,h是高于WGS-84橢圓體的高度,并且如果h>0則sgn(h)=1,如果h<0則sgn(h)=-1,并且當h=0時,它是未定義的(此時,方程本身簡化成恒等式,但是仍然定義該方程的微分型式)。“h”由如先前獲得的平均值“h”給定。假定接收時間具有小于大約10ms的誤差,從而如從星歷表(ephemeris)計算的SATPS衛(wèi)星106、108和110位置具有良好的準確度。平均運動校正項mi如下給出 其中×表示矢量叉積,о表示矢量點積,vi是SATPS衛(wèi)星i的速度矢量,si是SATPS衛(wèi)星i的位置矢量,ω是地球自轉矢量,并且p是SATPS接收器102位置矢量,全部矢量的x、y和z坐標都是在ECEF中,并且除了co之外,所有都對應于天線114相位中心。
      如果(p*x,p*y,p*z)是基準或近似位置的ECEF坐標,其用作對于(px,py,pz)的初始猜測,并且假設b*是對于偽范圍偏移量的初始猜測。使用泰勒級數將左邊擴展成第一階近似將給出下面的方程-l1x-l1y-l1z1-l2x-l2y-l2z1-l3x-l3y-l3z1-dx-dy-dz0&CenterDot;&Delta;px&Delta;py&Delta;pz&Delta;b=&Delta;&rho;1&Delta;&rho;2&Delta;&rho;3&Delta;h]]>其中,li是從接收器指向SATPS衛(wèi)星i的視線單位矢量,并且d是向下方向單位矢量,其沿著向下正交方向指向WGS-84橢圓體,Δpx、Δpy和Δpz是微分位置坐標,Δb是微分偽范圍偏移量,Δρ1、Δρ2和Δρ3是微分偽范圍,以及Δh是微分h。視線單位矢量的線(line)如下給出li=1(six-px*)2+(siy-py*)2+(siz-pz*)2&CenterDot;(si-p*)]]>向下方向單位矢量如下給出d=-cos&lambda;*&CenterDot;cos&phi;*-sin&lambda;*&CenterDot;cos&phi;*-sin&phi;*]]>其中(φ*,λ*,h*)是p*的WGS-84大地坐標。
      &Delta;&rho;i=&rho;i-&rho;i*]]>其中ρi*是從偽范圍和平均值“h”的方程的右邊獲得的,并且Δh=h-h*求解泰勒級數方程,以獲得Δpx、Δpy、Δpz和Δb。然后,將位置和時鐘偏差的估算更新為p^xp^yp^zb^=px*py*pz*b*+&Delta;px&Delta;py&Delta;pz&Delta;b]]>這是牛頓-拉普森(Raphson)更新。接下來,用新估算代替初始估計如下px*py*pz*b*=p^xp^yp^zb^]]>并且繼續(xù)迭代,直至Δpx、Δpy、Δpz和Δb變得小于閾值。
      利用25個點的網格,以如下按照WGS-84φ和λ給出的輔助變量φ和λ,建立二維多項式φ=q·(φ-φc) λ=q·(λ-λc)其中q是比例因子(選擇為100),并且φc和λc分別是先前獲得的解的次數(degree)的WGS-84緯度和經度。LSQ多項式曲面擬合方程由下式給出;h=p(φ,λ)=c0·φ+c1·λ+c2·φ2+c3·φ·λ+c4·λ2+…+cm-2·λn+cm-1由下面遞歸公式給出次數n的系數總數mm(n)=rn(n-1)+(n+1),其中m(0)=1。對于次數n=4,m=15。通過使用最小二乘法求解下面線性方程而獲得系數ci,其中i=1,…,m。
      &phi;&OverBar;1&lambda;&OverBar;1&phi;&OverBar;12&phi;1&CenterDot;&lambda;&OverBar;1&lambda;&OverBar;12&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&lambda;&OverBar;1n1&phi;&OverBar;2&lambda;&OverBar;2&phi;&OverBar;22&phi;2&CenterDot;&lambda;&OverBar;2&lambda;&OverBar;22&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&lambda;&OverBar;2n1&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&phi;&OverBar;r&lambda;&OverBar;r&phi;&OverBar;r2&phi;r&CenterDot;&lambda;&OverBar;r&lambda;&OverBar;r2&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;&lambda;&OverBar;rn1&CenterDot;c0c1c2c3c4&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;cm-2cm-1=h1h2&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;hr]]>其中下標i(除在系數上的之外)表示地形的第i個點。如下選擇這些點中心點(如由φc、λc和hc給出)是與先前獲得的解相對應的點。該解還伴隨著長半軸ae、短半軸be、以及角度θc的水平誤差橢圓參數,其中角度θc是以逆時針方向為正而測量的、長半軸對著朝東方向的角度。該信息用來如下創(chuàng)建點的網格&Delta;n&Delta;e=cos&theta;e-sin&theta;esin&theta;ecos&theta;e&CenterDot;i&CenterDot;&Delta;aej&CenterDot;&Delta;be]]>i=-k,…kj=-k,…,k和&phi;i&lambda;j=&phi;c&lambda;c&CenterDot;&Delta;n/((Nc+h)cos&phi;c)&Delta;e/(Mc+hc)]]>其中,Mc=a(1-e2)(1-e2sin2&phi;c)3/2]]>并且Nc=a1-e2sin2&phi;c]]>其中a是WGS-84橢圓體的長半軸,并且e是其偏心率。選擇Δae為1.5ae,并且選擇Δbe為1.5be。
      選擇k值為2,從而給出總點數r=25,并且給出沿著長半軸和短半軸的覆蓋3-sigma(西格瑪)區(qū)域。選擇多項式的次數n為4階,從而給出系數數目m=15。因此,方程的系統是25個方程和15個未知數,并且借助于改進的Gram-Schmidt過程來求解。
      采用通常的矩陣表示法的LSQ多項式曲面擬合方程是A·C=H,并且最小二乘解的目標是最小化(A·C-H)T·W·(A·C-H),其中W是正定加權矩陣。通過求解方程組AT·W·A·C=AT·W·H來獲得最優(yōu)解。通過使用分解W=ΓT·Γ并且使用B=A·Γ,可以將該方程組寫成BT·B·C=BT·Γ·H。還可以將該新方程組寫成R·C=D-1·QT·H,其中將B分解成B=Q·R,其中R是單位上三角矩陣(R的對角線元素全是一并且對角線以下的元素全是零),使得QT·Q=D,D為對角矩陣??梢允褂没卮ㄇ蠼馍先切畏匠探M。在上面,使用了兩個分解。第一個是W=ΓT·Γ。這可以使用Cholesky法來進行。通常,W是對角的,從而Γ也是對角的,并且它可以簡單地通過獲得W的對角元素的平方根而獲得。甚至更簡單的情況是在當W=I時,其中I是單位矩陣,因而同樣Γ=I。在解中使用該相同的加權。第二分解是B=Q·R??梢酝ㄟ^改進的Gram-Schmidt法而獲得該分解,其中,改進的Gram-Schmidt法通過由于Q僅僅正交(而非標準正交)而避免了平方根運算來給出Q、R和D。
      通過(使用固定的“h”)如前所述的LSQ求解方法,求解來自三個偽范圍的方程和多項式曲面方程,其中具有兩個例外。以作為采用φ和λ的多項式的海拔高度方程代替最后(第四)方程(固定“h”)。通過這一變更,以φ、λ和h為未知數而不是在ECEF構架(frame)中考慮前三個方程是方便的。這樣,將方程寫成&rho;1=(s1x-px(&phi;,&lambda;,h))2+(s1y-py(&phi;,&lambda;,h))2+(s1z-pz(&phi;,&lambda;,h))2&CenterDot;(1-m1)+b]]>&rho;2=(s2x-px(&phi;,&lambda;,h))2+(s2y-py(&phi;,&lambda;,h))2+(s2z-pz(&phi;,&lambda;,h))2&CenterDot;(1-m2)-b]]>&rho;3=(s3x-px(&phi;,&lambda;,h))2+(s3y-py(&phi;,&lambda;,h))2+(s3z-pz(&phi;,&lambda;,h))2&CenterDot;(1-m3)+b]]>h=c0·φ(φ)+c1·λ(λ)+c2·φ(φ)2+c3·φ(φ)·λλ+C4·λ(λ)2+…+cm-2·λ(λ)n+cm-1其中px=(N-h)·cosφ·cosλpy=(N+h)·cosφ·sinλpz=((1-e2)·N+h)·sinφ使用牛頓-拉普森法求解方程組。這次,由先前獲得的(φc,λc,hc)給出初始猜測。此外,假設bc是再次從先前的解獲得的、對于偽范圍偏移量的初始猜測。使用泰勒級數將圍繞該初始猜測的多項式曲面方程的左邊擴展成一階近似,并且求解Δφ、Δλ、Δh和Δb,然后,應用與對固定“h”LSQ的解相同的過程來產生所求的解。
      在圖5中,示出了用于使用具有數字地形海拔數據的SATPS接收器確定位置的步驟的流程圖500。SATPS接收器102通過接收三個SATPS衛(wèi)星擴展頻譜信號116、118和120以及來自服務器250中的數字地形海拔數據存儲器262的數字地形海拔數據而開始(502)。當確定了基準位置時,通過中心的基準位置檢索向東和向北方向離開1公里的點的豎高高度(504)。在(2·N+1)×(2·N+1)個點的網格上考慮總共(2·N+1)2個點。將豎高“H”坐標轉換成WGS84“h”。確定平均“h”,并且“h”誤差等于平均“h”和最大或最小“h”之間的差值的絕對值(較大者)。
      使用SATPS偽范圍測量、步驟506中的平均“h”和“h”誤差,來得到位置和對應的水平誤差橢圓參數(508)。然后,以在步驟508中確定的位置為中心,在510中沿著橢圓的長軸和短軸構造矩形網格上的點的“H”。沿著長軸的連續(xù)點之間的間隔是長軸大小的1.5倍,并且沿著短軸,它等于1.5倍的短軸大小。在5×5點的網格上考慮總共25個點。
      采用15個系數,以φ和λ的變量,對在步驟510中先前獲得的25個點擬合4次二維多項式。確定多項式擬合的最大殘差,并且如果在步驟514中,該誤差超過預定閾值,則生成錯誤消息516并且完成處理518。否則,如果在步驟514中沒有超過預定閾值,則隨同步驟512的最大殘差一起,求解SATPS偽范圍方程組和多項式方程,以確定位置520。在步驟522中,進行檢查,以確定在步驟520中獲得的φ和λ是否屬于在步驟512中在其上完成了曲面擬合的網格。如果是,則接受該解,并且完成處理518,否則否決該解524。
      為了示例說明起見,該處理被示出為停止518。實際上,可以繼續(xù)該處理,并再次在步驟502開始,進入空閑狀態(tài)直至被指示處理新的位置信息,或者執(zhí)行存儲在某種存儲器中的其它多條可機讀指令。前述步驟可以與附加的步驟或與組合的步驟一起發(fā)生。
      為說明和描述起見,提供了前面的實現描述。它不是窮盡性的并且不將本發(fā)明限于所公開的確切形式。根據上面描述,修改和變化是可能的,或者可以從實施本發(fā)明中獲取它。例如,所述實現包括軟件,但是可以以硬件和軟件的組合或僅僅硬件實現本發(fā)明。還要注意,該實現可以在系統之間改變。權利要求及其等價物限定本發(fā)明的范圍。
      權利要求
      1.一種能夠接收至少三個定位信號的衛(wèi)星定位接收器,包括導航處理器,其處理所述至少三個定位信號并確定至少三個代碼相位;以及根據初始數字地形海拔數據確定的位置,其中所述初始數字地形海拔數據被用于利用所述至少三個代碼相位和從所述初始數字地形海拔數據導出的海拔高度方程來計算解。
      2.如權利要求1所述的衛(wèi)星定位接收器,其中所述解還包括海拔高度方程中的水平誤差橢圓參數,其形成與海拔高度誤差相對應的、具有長軸和短軸的誤差橢圓;沿著長軸和短軸的多個點,其形成網格點的網格;以及存儲器,其包含在網格點處的數字地形海拔數據。
      3.如權利要求2所述的衛(wèi)星定位接收器,包括接收多個衛(wèi)星代碼相位的服務器,其中每個衛(wèi)星代碼相位與無線網絡上的衛(wèi)星位置系統信號相關聯;以及服務器中的控制器,其訪問初始數字地形數據,以便確定解。
      4.如權利要求2所述的衛(wèi)星定位接收器,其中響應于接收與所述至少三個定位信號不同的信號,從存儲器檢索初始數字地形海拔數據。
      5.如權利要求2所述的衛(wèi)星定位接收器,其中存儲器中的數字地形海拔數據是NIMA(DTED)級別0數字平均海拔數據。
      6.如權利要求2所述的衛(wèi)星定位接收器,其中存儲器中的數字地形海拔數據是GTOPO30全球海拔數據。
      7.如權利要求2所述的衛(wèi)星定位接收器,還包括由導航處理器計算的網格點上的多項式表面擬合中的最大殘差低于預定閾值。
      8.如權利要求7所述的衛(wèi)星定位接收器,其中預定閾值是100米。
      9.如權利要求1所述的衛(wèi)星定位接收器,其中導航處理器是位于服務器中的處理器。
      10.一種在接收至少三個定位信號時確定接收器的位置的方法,包括使用所述至少三個定位信號來識別基準位置;檢索初始高度;根據初始高度確定平均高度以及平均高度誤差;導出與所述至少三個定位信號相關聯的至少三個聯立方程;使用平均高度和平均高度誤差求解所述至少三個聯立方程,其產生位置和對應的水平誤差橢圓;對所述對應的水平誤差橢圓擬合二維多項式;以及求解所述至少三個聯立方程和二維多項式,其產生衛(wèi)星定位接收器的海拔高度。
      11.如權利要求10所述的方法,其中確定平均高度還包括識別最小高度和最大高度中的一個;以及將高度誤差設置成等于在最小高度和最大高度中的所述一個和平均高度之間的差值的絕對值。
      12.如權利要求10所述的方法,其中檢索初始高度還包括將多個代碼相位傳送到服務器,其中每個代碼相位與每個定位信號相關聯;以及訪問存儲在存儲器中的數字地形數據,以檢索初始高度。
      13.如權利要求12所述的方法,其中無線網絡是蜂窩通信網絡。
      14.如權利要求10所述的方法,其中檢索初始高度還包括從位于衛(wèi)星定位接收器內的存儲器接收初始高度。
      15.如權利要求10所述的方法,還包括使用變量從二維多項式獲取另一高度;以及比較所述另一高度和海拔高度之間的差值與預定閾值。
      16.如權利要求15所述的方法,其中預定閾值等于100米。
      17.如權利要求10所述的方法,其中接收器位于服務器中。
      18.一種接收至少三個定位信號的衛(wèi)星定位接收器設備,包括用于使用所述至少三個定位信號來識別基準位置的裝置;用于檢索初始高度的裝置;用于根據初始高度確定平均高度以及平均高度誤差的裝置;用于導出與所述至少三個定位信號相關聯的至少三個聯立方程的裝置;用于使用平均高度和平均高度誤差求解所述至少三個聯立方程、以產生位置和對應的水平誤差橢圓的裝置;用于對所述對應的水平誤差橢圓擬合二維多項式的裝置;以及用于求解所述至少三個聯立方程和二維多項式、以產生衛(wèi)星定位接收器的海拔高度的裝置。
      19.如權利要求18所述的設備,其中確定平均高度的裝置還包括用于識別最小高度和最大高度中的一個的裝置;以及用于將高度誤差設置成等于在最小高度和最大高度中的所述一個和平均高度之間的差值的絕對值的裝置。
      20.如權利要求18所述的設備,其中用于檢索初始高度的裝置還包括用于從位于無線網絡中的服務器接收初始高度的裝置。
      21.如權利要求20所述的設備,其中無線網絡是蜂窩通信網絡。
      22.如權利要求18所述的設備,其中用于檢索初始高度的裝置還包括用于從位于衛(wèi)星定位接收器內的存儲器接收初始高度的裝置。
      23.如權利要求18所述的設備,還包括用于使用變量從二維多項式獲取另一高度的裝置;以及用于比較所述另一高度和海拔高度之間的差值與預定閾值的裝置。
      24.如權利要求23所述的設備,其中預定閾值是100米。
      25.一種用于衛(wèi)星定位接收器設備的可機讀信號承載介質,包含多個可機讀信號,其包括用于在接收到至少三個定位信號時識別基準位置的裝置;用于檢索初始高度的裝置;用于根據初始高度確定平均高度以及平均高度誤差的裝置;用于導出與所述至少三個定位信號相關聯的至少三個聯立方程的裝置;用于使用平均高度和平均高度誤差求解所述至少三個聯立方程、以產生位置和對應的水平誤差橢圓的裝置;用于對所述對應的水平誤差橢圓擬合二維多項式的裝置;以及用于求解所述至少三個聯立方程和二維多項式,以產生衛(wèi)星定位接收器的海拔高度的裝置。
      26.如權利要求25所述的可機讀信號承載介質,其中確定平均高度的裝置還包括用于識別最小高度和最大高度中的一個的裝置;以及用于將高度誤差設置成等于在最小高度和最大高度中的所述一個和平均高度之間的差值的絕對值的裝置。
      27.如權利要求25所述的可機讀信號承載介質,其中用于檢索初始高度的裝置還包括用于從位于無線網絡中的服務器接收初始高度的裝置。
      28.如權利要求27所述的可機讀信號承載介質,其中無線網絡是蜂窩通信網絡。
      29.如權利要求25所述的可機讀信號承載介質,其中用于檢索初始高度的裝置還包括用于從存儲器接收初始高度的裝置。
      30.如權利要求25所述的可機讀信號承載介質,還包括用于使用變量從二維多項式獲取另一高度的裝置;以及用于比較所述另一高度和海拔高度之間的差值與預定閾值的裝置。
      31.如權利要求30所述的可機讀信號承載介質,其中預定閾值是100米。
      32.一種服務器,包括收發(fā)器,其接收多個衛(wèi)星代碼相位;具有數字地形海拔數據的存儲器;以及控制器,其處理所述多個代碼相位,并且使用初始高度來訪問存儲器中的數字地形數據,以確定由所述多個衛(wèi)星代碼和數字地形數據表示的位置。
      33.如權利要求32所述的服務器,還包括包含從收發(fā)器發(fā)送的位置數據的消息。
      34.如權利要求32所述的服務器,包括海拔高度方程中的水平誤差橢圓參數,其形成與關于初始高度的海拔高度誤差相對應的、具有長軸和短軸的誤差橢圓;以及沿著長軸和短軸的多個點,其形成網格點的網格,控制器訪問在網格點處的、存儲器中的數字地形海拔數據。
      全文摘要
      一種衛(wèi)星定位系統,具有多個向衛(wèi)星定位系統接收器發(fā)射擴展頻譜信號的衛(wèi)星,該衛(wèi)星定位系統接收器能夠使用三個擴展頻譜信號和對近似于衛(wèi)星定位系統接收器的海拔高度的數字海拔高度數據的多項式曲面擬合,來確定位置。
      文檔編號G01S1/00GK1853115SQ200480026829
      公開日2006年10月25日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權日2003年8月1日
      發(fā)明者馬卡蘭德·法塔克, 杰弗里·F·科克斯, 萊昂內爾·J·加林 申請人:SiRF技術公司
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