短基线和超短基线相位图

技术领域

本发明总体上涉及全球导航卫星系统(GNSS)，特别涉及短基线接收机。

背景技术

短基线实时运动学(RTK)系统典型地与相距短短数千米（例如，小于10千米）的 基本GNSS接收机和漫游（rover）GNSS接收机一起操作。基本接收机位于一个已知 的位置，使用从视野范围内的GNSS卫星发送的GNSS信号来进行载波相位测量， 并且计算出与各个卫星之间的伪距（pseudorange）。然后基本接收机确定使用卫星信 号计算的伪距与基于接收机的已知位置和卫星的已知位置的距离（range）之间的差 值，以便确定距离修正信息。以已知的方式操作的基本接收机广播RTK信息，即距 离修正信息、伪距、载波相位测量以及各种其它信息。

漫游接收机使用众所周知的处理密集的运算，使用广播的伪距、载波相位测量以 及其它信息来求解整数载波周期模糊度（ambiguity）。漫游接收机全部以已知的方式 使用距离修正信息来修正与卫星轨道、大气条件等的变化有关的伪距误差，该伪距误 差会因为接收机之间的短基线缘故而以相同的方式对基本接收机和漫游接收机都产 生影响。

某些短基线系统使用固定基线，例如，可以采用位于漫游接收机处的两个天线来 确定接收机的定向或方位。天线可以被固定在交通工具上，诸如汽车或者船，并且可 能例如被分开1至1/2米的一小段距离。多个天线提供被用于众所周知的短基线RTK 处理运算中以求解各个天线的载波周期模糊度的信息。一旦求解了载波周期模糊度， 系统就可以基于两个天线处的载波相位的差来确定交通工具的方位或定向。

固定基线系统受到接收机操作时引入的多径效应和偏移的不利影响。在每个天线 处接收的信号可能被多径效应以相同的或者不同的方式影响。进一步地，多径信号还 会取决于各个卫星的位置而在GNSS卫星和不同时间之间有所不同。线路偏置也会取 决于周围的环境等等而不同。

与本发明同时间提交的、被转让给共同受让人的、名称为“Ultra-Short Baseline GNSS Receiver”的共同未决申请序列号12/579,460在这里通过引用全部包含进来， 其描述了一种使用两个天线的系统，天线之间的距离小于所关心的GNSS卫星载波信 号的一个波长。这里被提及的这些天线是在“超短”固定基线上。这样的系统具有如下 优点：两个天线进行的测量之间不会出现整数载波周期模糊度的问题，并且可以在不 使用处理密集的短基线RTK运算的情况下确定定向或者方位。但是，由于天线非常 接近可能由于例如天线之间的串扰而对接收的信号带来不利影响。

发明内容

一种短基线或超短基线系统生成相应的相位图或表，该相位图或表将载波相位差 误差与漫游接收机天线处的传入GNSS卫星信号的入射角或者到达角相关联。短基线 查找机制提供在方位确定中使用的补偿载波相位差修正，用以修正与各个天线处的多 径信号相关联的相位失真和与接收机操作相关联的线路偏置。超短基线相位图提供补 偿载波相位差修正，其进一步修正超短基线上的两个短间距天线之间的本地射频 （RF）效应。

该系统针对各个入射角度的GNSS卫星信号，基于漫游接收机天线处的期望相位 差和测量的相位差，而生成相位图和/或相关联的相位差误差查找表。该系统基于相 位差误差的梯度来确定图网格尺寸，较小的网格尺寸用于较高的梯度。网格尺寸还可 以取决于用户应用精度要求，较小的网格尺寸用于较高的精度要求。另选地或者附加 地，多个参数的数学模型（例如球形模型）可以替代查找表来表示相位差误差。相位 图、查找表和/或数学模型此处也被统称为“查找机制”。

附图说明

通过参考附图可以更好理解本发明，在附图中：

图1是根据本发明而构造的双天线接收机的示意图；

图2A和图2B是用于生成图1的相位图/查找表的过程的流程图；

图3是极坐标形式的相位图的示意图；

图4A和图4B是使用相位图/查找表来确定短基线接收机的定向的方法的流程 图；以及

图5是在使用和不使用相位图/查找表的情况下以度为单位的方位误差图。

具体实施方式

图1是根据本发明的示例性实施方式的接收由GNSS卫星110发送的GNSS卫星 信号的短基线接收机120的示意图。更具体地，图1的系统100包括示出为安装在刚 性框架106上的双天线102和104。天线之间相隔相对较短的距离，通过尺寸“d”示 出。针对大于GNSS信号的一个波长的尺寸d并且还针对小于GNSS信号的一个波 长的尺寸d而描述了系统的操作。另外，可以使用多于两个天线的阵列，每个天线与 其相邻的天线间隔距离d。为了方便解释，将系统描述为使用双天线。

GNSS卫星信号被示意性地表示为由天线102接收的信号路径112，以及由天线 104接收的信号路径114。这两个路径的长度由于各个天线的不同位置而不同。由双 天线102和104接收的信号被提供给伴随的接收机设备120，该接收机设备120包括 处理器126，该处理器根据如在此更加详细描述的发明的方法进行编程，以产生和使 用相关联的相位图和/或查找表128。

一旦生成了图和/或查找表128，接收机120就在方位计算中使用从其获取的补偿 相位差修正，以提供较精确的方位或定向信息。较精确的方位信息能够允许系统较快 地初始化相关联的陀螺仪和/或其它的惯性传感装置（未示出），特别是当使用下面详 细描述的超短基线天线时。另外，因为超短基线系统持续地提供具有零均值误差的方 向信息，所以可以使用较便宜的陀螺仪而不会对提供给用户的方向精度或者朝向信息 带来不利的影响。

本领域技术人员可以理解，接收机120跟踪两个天线102和104处的GNSS卫星 信号载波，并且确定用于计算天线的定向的相位差。接收机还计算GNSS卫星信号相 对于天线的定向（也即相对于在两个天线的相位中心之间延伸的矢量V_A）的入射角 θ。在一个示例中，可以基于卫星位置坐标以及估计的或已知的天线的定向，针对传 入卫星信号和矢量V_A二者，确定在附图中表示为Az、相对于正北限定的方位以及在 附图中表示为El、相对于地平线限定的仰角。

除了GNSS卫星信号之外，天线102和104还接收多径信号122和124，其是卫 星信号116在例如框架106上的反射。另外，接收机操作可能会引入线路偏置等等， 从而对载波相位测量带来不利影响。因此，根据本发明有益地是，在确定天线的定向 时，调整这些错误信号和偏置的影响。

更具体地，当每次卫星信号来自相同的入射角时，以特定入射角到达框架106 的卫星信号将具有基本上相同的相位失真。在这种情况下，例如，传入的信号在各个 天线处产生相同的或基本上相同的多径信号。然而，线路偏置在GNSS卫星之间是相 同的，并且可能反而基于环境温度或者其它因素而变化。通过适当地确定与在天线处 从多个入射角接收的卫星信号相关联的载波相位差误差，系统生成相位图、表128 和/或数学模型（未示出），以用于补偿相位失真。因此，系统不需要尝试求解出每个 天线处的载波相位测量误差来获得更为精确的定向信息。

在隔开固定和已知的偏差的两个天线之间的所测量的相位差可以根据以下公式 来估计：

$\mathrm{d\sigma }=\frac{L\cos \phi }{\lambda }+B_L$（公式1）

其中dσ是期望相位角差，λ是GNSS载波信号的波长，L是天线相位中心之间 的距离，φ是矢量V_A与传入的卫星信号之间的角度，并且B_L是与各个天线相关联的 电路之间的RF电线路偏置。

假设相距很近的天线的近似位置可以被确定，则传入的GNSS卫星信号的方向可 以根据与卫星信号有关的广播数据来确定。继而可以使用余弦点积来计算公式1中的 cosφ项：

cosφ＝ax+by+cz

其中(ai+bj+ck)是来自GNSS卫星信号的传入信号的单位矢量，并且 (xi+yj+zk)是连接天线相位中心的矢量V_A的单位矢量。

在计算中，

a＝cos(Az_s)cos(El_s)

b＝sin(Az_s)cos(El_s)

c＝sin(El_s)

其中下标“s”指示角度是相对于卫星信号的，并且Az和El分别表示相对于北的方 位和相对于地平线的仰角。另外：

x＝cos(Az_A)cos(El_A)

y＝sin(Az_A)cos(El_A)

x＝sin(El_A)

其中下标“A”指示角度是相对于矢量V_A的。可以理解，其它已知的计算可以用 于基于GNSS卫星的已知位置和天线基线的已知或估计的定向，来确定传入的卫星信 号与矢量V_A之间的入射角。

线路偏置B_L对于由这两个天线接收到的全部GNSS信号是共同的。因此，例如 可以通过调整载波相位差以便消除或者基本上使各种传入的卫星信号的几何学等同， 以使得线路偏置项在整个计算中是相同的，从而确定线路偏置。另选地，可以根据在 给定卫星相对于矢量V_A以90度定位时所进行的测量来确定线路偏置（此时的载波 相位差应当是零）。

假设偏置稳定，则线路偏置可以被并入到查找机制中。然而，对于温度变化的组 件容差以及老化可能导致线路偏置的不稳定性，因此，B_L项可能需要周期性的重新 计算。因此，可替换地，该项可以在适合的时间被计算，并且被分别并入到方位或者 定向计算中。另选地，相位差测量对可以被求差，线路偏置项在双差相位观测中抵消 了。对于RTK基线，处理双差相位观测在本领域是公知的，用于消除与各个接收机 中的不同时钟相关的偏置等等。然而，在该系统中，双差消除了与同一接收机处的各 个天线相关联的线路偏置。在简化计算时，代价是双差会在计算中引入一定的高斯噪 声。

图2A和图2B是根据本发明的示例性实施方式的用于生成相位图和/或查找表 128的过程的流程图。该过程在开始步骤202开始并持续到步骤204，其中接收机被 提供有包括相距较短的已知距离d而定位的第一天线102和第二天线104的天线结 构，诸如图1所示。根据步骤206，接收机，或者更具体的说，天线结构在已知位置 处以已知定向来定位，具有开阔的（clear）天空视野。然后，接收机跟踪来自视野中 的GNSS卫星的信号，并且使用广播数据和/或其它信息来确定各个卫星的位置。接 下来，在步骤208中，系统确定GNSS卫星信号在矢量V_A上的入射角或到达角，该 矢量V_A在天线的相位中心之间延伸。然后，在步骤210中，系统基于到达角和已知 的天线的间隔，计算期望相位差。

更为具体的，GNSS卫星的位置坐标从卫星信号广播数据、相关联的年历数据等 而得知。系统根据卫星和天线的几何学来确定入射角θ。例如，系统可以基于天线的 已知位置和定向以及卫星的位置坐标，使用公式2来计算公式1的cosφ项。使用计 算的入射角、GNSS卫星载波信号的已知波长、天线相位中心与上文描述的例如根据 来自多个卫星的信号所确定的偏置项之间的已知距离，系统计算期望载波相位差。在 该示例中，系统使用公式1。

接下来，在步骤212中，接收机在各个天线处测量GNSS卫星信号的载波相位。 如果天线的间隔大于GNSS卫星载波信号的1个波长，则系统必须求解整数载波周期 模糊度，作为测量的载波相位差的计算的一部分。因此，系统可以使用已知的短基线 RTK运算来求解周期模糊度，然后通过减去测量结果来计算测量的相位差。另选地， 系统可以按照其它已知方式来求解整数载波周期模糊度。

如果天线的间隔小于载波信号的1个波长，也就是在超短基线上，就模糊度与周 期翻转（rollover）相关联的意义上来讲，整数周期模糊度求解基本上并不重要。因 此，基于天线的紧密接近来求解周期模糊度，因为翻转将仅提供超短基线的跨度内的 一个解，而各种其它解由于在超短基线的跨度之外会很容易被丢弃。周期翻转可能发 生在卫星信号处于特定入射角时，因此，系统可以将周期翻转补偿并入到其针对特定 入射角的载波相位差运算中，否则就直接使用测量的载波相位角来确定定向。因此， 对于超短基线配置，不需要执行RTK或者用于求解载波周期模糊度通常所需要的其 它运算，并且系统操作也因此得到简化。

根据步骤214，系统通过从测量的载波相位差中减去所计算的期望载波相位差来 计算载波相位差误差。

在步骤216中，记录了这样确定的载波相位差误差。该过程被重复以收集附加数 据，如步骤218所示。附加数据可以通过允许接收机在一地点保持多个小时（例如 24小时）来收集，以使得GNSS卫星移动通过它们在天空中的各个位置。在选定的 时间或位置，进行载波相位测量，并且确定测量的载波相位差，计算到达角和期望载 波相位差，并且记录相位差误差以填入表中。

另选地，如果试图在较短的时间段中获得数据，那么可以通过将天线结构在物理 上旋转特定度间隔，并且执行获得测量的载波相位差的步骤，计算各个天线定向上的 到达角和期望载波相位差，以及确定相关联的相位误差等等来收集数据。

如步骤220中所示，相位误差数据被进一步分类到表网格元素中。在步骤222 中，针对每个网格单元的每个数据集合取平均值。根据步骤224，平均值被存储在每 个网格单元元素中，由此利用品质（merit）因数来填充表。任何的空白单元可以通过 在相邻单元之间内插数据来填充，如步骤226所示。该过程在步骤228结束，并且由 此形成相位图/表128。如本领域专业人员所理解的，其它的品质因数，例如，代替平 均值或者除了平均值以外，可以使用计算的误差值的均值或者与在公共入射角下的相 位差误差值的离差相关联的其它值。另选地或者附加地，品质因数可以包括值的权重。 例如，与对于其存在相对较大的离差的入射角相关联的值可以被去加权，并且/或者 可以基于相关联的值被离差多宽来应用按比例增减的加权，以确保与较宽的离差相关 联的值比与较小的离差相关联的值对计算的影响较小。图3示出了相位图128，其中 载波相位差误差以极坐标格式表示。

如前所述，使用到达角来计算期望相位差，到达角使用漫游天线的已知位置和定 向以及GNSS卫星的已知位置坐标来计算。然后通过从测量的载波相位差中减去期望 载波相位差来获得载波相位差误差。对于不同到达角记录载波相位差误差，并且重复 这些步骤直至已经收集到多数表索引单元的测量结果为止，如图3中所示。示例性地， 对各种数据集合取平均值或者进行其它操作来获得各个网格单元元素的相位差误差 值的品质因数。查找表也根据品质因数值而建立。如果存在没有数据的网格单元，则 可以通过在包含有效数据的相邻单元之间或之中进行内插来计算值。

根据本发明的另选实施方式，相位图/表128可以使用来自RF信号发生器（未示 出）的传入信号而生成。因此，天线结构被定位在相对于RF信号源的已知的距离和 定向，并且测量天线处相对于接收到的RF信号的相位差。基于RF信号相对于矢量 V_A的入射角来计算期望相位差。然后将天线定向转动预定量，或者将RF信号发生器 移动预定角度，并且确定测量的相位差和期望相位差，等等。

在任何一种相位图/表生成方法（即，使用GNSS卫星信号或者来自RF信号发生 器的信号）中，图/表的网格尺寸优选地与测量的相位差误差的梯度成比例。更具体 地说，梯度越高，则表应该越密集。相反地，如果相位差误差在测量间隔上的变化十 分缓慢，则可以用较稀疏的表。在确定网格间隔时的另一个考虑是期望用户精度要求。 如果对相位测量精度的要求高，则表将需要较密集的网格。显著地，相邻网格单元之 间的误差值的变化应当显著地小于需要的用户精度（例如，是其一半或者四分之一）。

另选地或者附加地，数学模型可以用来表示相位修正。因此，计算的值被用于构 造模型，例如，使用与球面谐波建模相关联的技术。相似地，也可以针对品质因数来 确定模型。在操作中，通过本发明的方法生成的表可以被用在参照图4A和图4B的 流程图描述的过程中。使用天线隔开大于GNSS载波的一个波长（例如，隔开1或者 1/2米）的天线结构来执行这些步骤。

过程起始于开始步骤402，并且持续至步骤404，其中两个GNSS信号天线以固 定间隔d固定在刚性框架上。根据步骤406，两个天线同时跟踪公共的GNSS载波信 号，并且接收机以已知方法使用来自一个或者两个天线的信号来确定其位置。系统也 根据广播数据和/或其它已知方法来确定GNSS卫星的位置坐标。然后，接收机以周 期性间隔测量两个天线处的载波相位角（步骤408）。

在步骤410中，系统减去载波相位测量对，来计算测量的或者原始的载波相位差。 如果合适的话，系统接下来按照已知的短基线RTK处理操作，使用载波相位测量来 求解整数载波相位模糊度，并且确定针对两个天线所测量的载波相位。使用原始相位 差，接收机以已知的方式，例如使用公式1来计算天线的近似定向，如步骤412中所 示。如步骤414中所示，系统使用如上所讨论确定的GNSS卫星的位置来计算GNSS 卫星信号相对于计算的天线的定向的到达角。然后，系统使用该到达角进入相位图或 者查找表，并且提取出相位差误差修正。

系统使用从表中获取的相位差误差修正来调整原始相位差测量，以补偿由多径信 号或者其它本地RF效应所导致的相位失真，如步骤416所示。在该示例中，将所获 取的值与用于计算定向的相位差值组合。如果合适的话，假设没有将偏置项并入表中 或者不使用双差，则将所计算的线路偏置项也包括在该调整中。然后，系统使用经修 正的相位差值来重新计算天线的定向，如步骤418所示。决策步骤420检查早期计算 的天线的定向与经修正的天线的定向之间的差值是否大于表的索引间隔或者图的网 格尺寸。如果是这样，则使用经修正的定向来重复步骤414-420，以确定更新的到达 角等等，且迭代持续直至经修正的定向的变化足够小为止。该过程持续至步骤422， 经修正的定向被用作天线的实际定向，并且该过程结束于步骤424。

天线102和104之间已知的距离d可能小于感兴趣的GNSS卫星信号的一个波长， 因此，求解整数载波周期模糊度基本上不重要，从而不需要复杂的RTK过程。相反， 可以直接使用测量的载波相位角，同时将周期翻转纳入考虑，从而酌情确定原始相位 差。步骤408由此而得到简化。然而，天线间隔越近，它们之间可能发生的串扰越多。 串扰信号对载波相位角的差的计算产生不利影响，因为串扰导致天线相位中心向彼此 明显移动。实际上，某些间距可能导致两个天线“看到”相同的信号，从而倾向于作为 单个天线操作。查找机制128通过提供针对与天线处的GNSS卫星信号的到达角相关 联的载波相位失真的修正，在补偿各个天线处的多径信号的不利影响以及酌情补偿与 接收机操作相关联的线路偏置之外，还操作为补偿串扰。因此，系统不需要确定每个 天线的个体载波相位测量误差。

图5描绘了在使用与不使用相位图或表128的情况下方位或定向确定的结果。曲 线502示出了在不使用相位图或表128的情况下以度为单位的方位误差。曲线504 示出了当在计算中使用相位图或表128时以度为单位的方位误差。可以看到，相位图 的使用将方位误差减小到接近零度，而且也将误差稳定在零度附近的小范围内。

另选地或者附加地，接收机可以在包括数据收集和处理中心（未示出）的系统中 操作，并且接收机可以将载波相位角测量数据发送到处理中心以用于位置和/或定向 确定。因此接收机的复杂程度可以较小，因为它们不需要处理测量数据。在这样的系 统中，处理中心可以按照名称为“METHOD FOR POSITIONING USING GPS IN A RESTRICTIVE COVERAGE ENVIRONMENT”的共同未决美国专利申请公开No. 2006/0012516中阐述的方式来收集载波相位角测量并且对数据进行批处理，以确定哪 些载波相位角测量是有效的，上述美国专利申请被转让给共同受让人，此处通过引用 将其整体并入。然后，系统仅使用有效的载波相位角测量来计算定向。

另选地或者附加地，此类系统中的接收机可以被简化，因为可以在数据收集和处 理中心中，利用由中心向接收机提供的位置和/或定向信息，针对短基线布置而酌情 执行用于求解整数载波周期模糊度的处理器密集RTK处理。如所讨论的，RTK处理 对于超短基线布置不是必需的。

另选地，系统可以利用所收集的测量的载波相位差数据的每个集合来计算天线的 定向。当天线位于移动的交通工具上时，此类操作是有用的。通过将天线间隔小于载 波的一个波长的距离，整数载波角度模糊度的求解被简化为周期翻转补偿，如上文所 述，并且不需要复杂的RTK方法来确定定向，因此处理的复杂度较小，并且耗时较 少。

系统可以使用多于两个天线的阵列，并且以上文中描述的方式针对对全部或者选 定的天线对生成相位图、查找表和/或数学模型。然后，系统使用全部或者选定的天 线对，以便以与上文中描述的针对二维情况相类似的方式来确定阵列的三维定向。

另选地或者附加地，例如可以按照名称为“Apparatus and Method for Determining Pitch and Azimuth From Satellite Signals”的美国专利6,211,821B1中描述的方式来确 定阵列的斜度和偏转，通过引用将上述美国专利整体并入于此。然而，对于超短基线 系统而言，载波周期模糊度分辨被作为周期翻转补偿来处理，如前文所描述。应当理 解，本发明提供了一种有益的方法和系统，所述系统和方法使用根据本发明而生成的 相位差误差查找表、图和/或数学模型（即，查找机制），来确定两个或更多个天线的 天线阵列的定向。双天线阵列中的天线被间隔距离d，然而，具有多于两个天线的阵 列中的天线不需要与其各个相邻天线间隔相等距离。

前文描述针对本发明的具体实施方式。然而，显而易见的是，可以对所描述的实 施方式进行其它变形和修改，例如，组合诸如处理器的系统组件，或者将它们分为附 加的组件，以软件、硬件或者固件执行某些或者全部的处理步骤，乱序执行步骤等等， 以实现此类实施方式的一些或者全部优点。因此，本说明书仅通过示例的方式采用， 并不限制本发明的范围。因此，所附权利要求的目的在于覆盖本发明的真实精神和范 围内的所有此类变形和修改。