全球?qū)Ш叫l(wèi)星天線系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑的方法包含：從相對于所述固定或幾乎固定的位置而不斷地移動的天線接收信號，所述信號包含多路徑分量；處理包含所述多路徑分量的所述接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述接收到的信號中的多路徑誤差；以及基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。
【專利說明】全球?qū)Ш叫l(wèi)星天線系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是原申請的申請日為2011年11月17日，申請?zhí)枮?01110366491.8，發(fā)明名稱為《全球?qū)Ш叫l(wèi)星天線系統(tǒng)和方法》的中國專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，且更明確地說，涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星天線系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0003]本發(fā)明涉及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)天線系統(tǒng)和方法。
[0004]GNSS是指用以確定實際上全世界任何地方的用戶的接收器的位置的各種基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)。目前操作中的若干GNSS系統(tǒng)包含(例如)由美國操作的全球定位系統(tǒng)(GPS)和由俄羅斯聯(lián)邦操作的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)。GNSS被軍用部門和民用部門廣泛使用。
[0005]每一 GNSS包含與地面站網(wǎng)絡(luò)一起工作來使用三角測量的形式以定位用戶的接收器的多個衛(wèi)星。每一衛(wèi)星以精確的間隔來發(fā)射經(jīng)編碼信號。用戶的接收器將接收到的信號轉(zhuǎn)換成位置、速度和時間估計。接收器可接著計算發(fā)射衛(wèi)星的確切位置以及(由發(fā)射時間延遲來計算)發(fā)射衛(wèi)星與接收器之間的距離。通過協(xié)調(diào)來自多個衛(wèi)星的信號數(shù)據(jù)，接收器能夠確定其位置。
[0006]雖然GNSS對定位接收器的位置提供高度可靠且準(zhǔn)確的能力，但并不是沒有出錯。GNSS性能可能會遭受若干誤差，包含電離層延遲、對流層延遲、接收器噪聲和多路徑。多路徑(本文中也被稱作相位多路徑和偽距離多路徑)是GNSS應(yīng)用中主要的誤差來源。
[0007]多路徑是指在來自單個來源的波經(jīng)由兩個或兩個以上的路徑行進(jìn)到接收器而導(dǎo)致同一個波的分量異相時出現(xiàn)的現(xiàn)象。這可以是(例如)由于來自例如建筑物、地面、樹木、水面等物體的對信號的外來反射而發(fā)生。在合適的條件下，波的兩個(或兩個以上)分量可發(fā)生干涉，從而導(dǎo)致接收器中的追蹤誤差。
[0008]已使用各種技術(shù)來嘗試減輕由多相引起的問題，包含改進(jìn)的天線設(shè)計、改進(jìn)的接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)的后處理技術(shù)。
[0009]在最佳條件下，GNSS系統(tǒng)允許毫米級的定位。然而，在遭受多路徑問題的環(huán)境中，誤差可以按2到5倍的倍數(shù)來增長。因此，相位多路徑仍然是GNSS定位中的主要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑的方法包含:從相對于所述固定或幾乎固定的位置不斷地移動的天線接收信號，所述信號包含多路徑分量；處理包含所述多路徑分量的所述接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述接收到的信號中的多路徑誤差；以及基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。[0011]一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑的系統(tǒng)包含:移動平臺，其上面安裝有天線，所述移動平臺使所述天線相對于所述固定或幾乎固定的位置不斷地移動；接收器，用于從所述不斷地移動的天線接收信號，所述信號包含多路徑分量；處理器，用于處理包含所述多路徑分量的所述接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述接收到的信號中的多路徑誤差；以及位置確定單元，用于基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。
[0012]一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑誤差的系統(tǒng)包含:多個天線，其布置在相對于所述固定或幾乎固定的位置固定的位置中；組合單元，用于組合來自所述多個天線的信號以及輸出復(fù)合的接收到的信號，所述復(fù)合的接收到的信號包含多路徑分量；處理器，用于處理包含所述多路徑分量的所述復(fù)合的接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述復(fù)合的接收到的信號中的多路徑誤差；以及位置確定單元，用于基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的復(fù)合的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]將易于獲得對本發(fā)明和其許多伴隨優(yōu)點的更完整了解，因為在結(jié)合附圖考慮時通過參考以下詳細(xì)描述能更好地理解本發(fā)明和其許多伴隨優(yōu)點，在附圖中:
[0014]圖1A展示GNSS系統(tǒng)中多路徑的可能原因的實例；
[0015]圖1B展示相干的直接接收到且經(jīng)反射的信號的相差；
[0016]圖2展示速度對多路徑干涉的影響；
[0017]圖3A展示靜態(tài)多路徑的模擬的實例；
[0018]圖3B展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的按圓形圖案移動的天線的多路徑的模擬的實例；
[0019]圖4展示固定天線四周的區(qū)域中的LI載波相位多路徑誤差的模擬的實例；
[0020]圖5展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上的天線的實例的頂視圖；
[0021]圖6展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的安裝在旋轉(zhuǎn)平臺上的天線的側(cè)視圖；
[0022]圖7A、圖7B展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的將來自在平臺上旋轉(zhuǎn)的天線的信號提供給接收器的方式的實例；以及
[0023]圖8展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的在垂直方向上移動的天線的實例；
[0024]圖9和圖10展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的對安裝在正在旋轉(zhuǎn)的平臺上的天線的可觀測量的實驗結(jié)果；
[0025]圖11和圖12展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的對安裝在不在旋轉(zhuǎn)的平臺上的天線的相同可觀測量的實驗結(jié)果；
[0026]圖13描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的固定天線陣列布置；
[0027]圖14是用于描述用于組合來自多個天線的輸出信號的系統(tǒng)的示意圖；
[0028]圖15描繪組合兩個信號；以及
[0029]圖16描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的天線輸出信號的增益的實例。
【具體實施方式】[0030]陳述以下示范性實施例以輔助理解本發(fā)明的標(biāo)的，但所述示范性實施例無意且不能被理解為以任何方式限制所附權(quán)利要求書。因此，雖然為清楚起見使用特定術(shù)語來描述一些示范性實施例，但是本發(fā)明無意限于如此選擇的特定術(shù)語，且應(yīng)理解，每一特定元件包含以類似方式操作的所有技術(shù)等效物。
[0031]雖然大氣的各個層可影響衛(wèi)星信號，但是載波一般是從衛(wèi)星(S)沿直線(D)傳播到接收器/天線(A)，如圖1A中所示。多路徑是由載波從附近物體(例如，建筑物(B))反射(R)造成的結(jié)果。反射可由許多其它類型的人造結(jié)構(gòu)和/或自然形成的表面(例如，包含地面、樹木、水等)造成。圖1B描繪當(dāng)相干波(D)和(R)沿兩個不同路徑行進(jìn)且到達(dá)接收器/天線(A)時的相移Θ。
[0032]本質(zhì)上，相位多路徑誤差隨時間過去發(fā)生的改變相對緩慢。這對于固定或幾乎固定的天線尤其成立。舉例來說，對于固定或幾乎固定的天線，相位多路徑誤差隨時間的改變可以在分鐘范圍或更長的范圍中。另一方面，就移動天線而論，相位多路徑誤差實質(zhì)上較快地改變。
[0033]在處理期間可相對快速地將快速改變的多路徑信號平均掉或濾掉，而在處理期間不容易將緩慢改變的多路徑信號平均掉或濾掉。因此，多路徑對定位的影響在移動天線的情況下比在固定天線的情況下產(chǎn)生的影響少得多。這個現(xiàn)象說明于圖2中，圖2展示天線速度(V)對多路徑干涉的影響。如圖所示，多路徑干涉隨天線的速度增加而減小。
[0034]本發(fā)明涉及減少GNSS系統(tǒng)中多路徑的影響且尤其是減少對固定或幾乎固定GNSS天線的影響，在固定或幾乎固定GNSS天線的情況下，多路徑干涉一般來說是最高的。
[0035]圖4是展示由三個鏡面反射器造成的在固定天線四周+/-25cm的區(qū)域中的LI載波相位多路徑誤差的模擬的圖像。所述圖像展示天線四周的區(qū)域中的最大值和最小值。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的實施例，使GNSS接收器天線相對于固定或幾乎固定的位置按覆蓋所述信號的至少一個波長的定義明確的圖案來移動。具體來說，天線應(yīng)該按某圖案移動，以使得經(jīng)歷天線附近的可能多路徑影響的最大值和最小值。舉例來說，對于具有特定波長(對于GPS LI是19cm，對于GPS L2是24cm)的GNSS信號來說，天線的路徑應(yīng)該覆蓋所述天線的至少一個波長，使得所追蹤的數(shù)據(jù)將經(jīng)歷天線附近的可能多路徑影響的最大值和最小值。以此方式，多路徑將與天線移動一樣快地改變，且將包含最大和最小多路徑值。因此，將通常相對緩慢地改變的多路徑轉(zhuǎn)換成相對較快地改變的多路徑。這允許在處理期間將多路徑有效地平均掉或濾掉。此外，如果天線的運動路徑是已知的，那么在移動天線處接收到的信號可用來返回參考實際的相關(guān)位置(例如，天線在其周圍移動的固定或幾乎固定的位置)。
[0037]圖3A展示模擬的結(jié)果的實例，其中三個鏡面反射器布置在靜態(tài)天線附近。X軸表示時間(t)，以秒為單位，且y軸表示相位多路徑誤差的改變，以米為單位。如圖所示，此改變相當(dāng)緩慢。由于相位多路徑誤差在所述時段內(nèi)展示很少的循環(huán)圖案或沒有循環(huán)圖案，因此在處理期間不將多路徑平均掉。足夠快地執(zhí)行任何類型的計算將多路徑誤差平均掉以成為任何實際使用將是困難的。
[0038]圖3B展示按具有25cm直徑的圓形圖案移動的天線的相同模擬，25cm大于GNSS的波長(例如，L1、L2)。如圖所示，所追蹤數(shù)據(jù)的多路徑以更快的速率(例如，與天線沿圓形路徑移動的速率成比例)來經(jīng)歷天線附近的可能多路徑影響的最大值和最小值。由于移動天線的多路徑誤差展示以相對較快的速率改變的循環(huán)圖案，因此在處理期間易于將多路徑誤差平均掉或濾掉。
[0039]根據(jù)圖5中所展示的本發(fā)明的實施例，天線40布置在旋轉(zhuǎn)平臺42上。天線40安裝在離軸44至少約12cm處，旋轉(zhuǎn)平臺42在所述軸處旋轉(zhuǎn)。平臺42可在順時針方向或反時針方向上旋轉(zhuǎn)，如由箭頭46所示。以此方式，當(dāng)平臺42旋轉(zhuǎn)時，天線40將按具有24cm直徑的圓形來移動。用于提供此運動范圍的系統(tǒng)的實例展示于圖6中。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的此實施例，天線40布置在旋轉(zhuǎn)平臺42上，旋轉(zhuǎn)平臺42由驅(qū)動電動機(jī)50經(jīng)由驅(qū)動軸48驅(qū)動。
[0040]平臺42旋轉(zhuǎn)的速度應(yīng)該是至少IOrpm且優(yōu)選為30rpm，使得多路徑信號的改變速率足以在處理器期間被有效地平均掉或濾掉。當(dāng)然，只要可以用另一種方式(例如，利用角傳感器)來確定天線在移動期間的相對位置，那么旋轉(zhuǎn)速度就可以變化。
[0041]提供一種系統(tǒng)，其用于以避免扭曲和損害天線纜線的方式將來自在平臺42上旋轉(zhuǎn)的天線的信號傳達(dá)給接收器。根據(jù)一個實施例，這可以通過在與天線72相同的平臺42上設(shè)置接收器70來完成，如圖7A中所示。天線72可接著經(jīng)由屏蔽纜線(未圖示)直接連接到接收器70。接收器70還可具備用于將接收到的信息(可觀測量)發(fā)射到設(shè)置在與平臺不同的位置處的另一個接收器74以被用戶容易看到的無線能力。
[0042]根據(jù)圖7B中展示的另一個實施例，可提供例如環(huán)形輪76等裝置以用于將來自在平臺上旋轉(zhuǎn)的天線的信號傳送給固定接收器。導(dǎo)電刷78a、78b以圓形圖案布置在平臺42的底部上。對應(yīng)的導(dǎo)電刷80a、80b以對應(yīng)的圓形圖案布置在固定環(huán)形輪76上。在平臺42旋轉(zhuǎn)時，刷78a與刷80a連續(xù)地電接觸。在平臺42旋轉(zhuǎn)時，刷78b與刷80b連續(xù)地電接觸。刷78經(jīng)由纜線(未圖示)電連接到天線40。刷80經(jīng)由纜線(未圖示)電連接到接收器82。以此方式，可將由旋轉(zhuǎn)天線40接收到的信號傳達(dá)給固定接收器82。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，為了避免扭曲和損害天線纜線，圖5、圖6中展示的旋轉(zhuǎn)平臺可經(jīng)布置以在一個方向上(順時針方向上)移動360°且接著在另一個方向上(反時針方向上)移動360°。
[0044]根據(jù)再一個實施例，天線纜線的扭曲問題可通過在垂直方向上上下移動天線來避免，如圖8中所示。在此實施例中，天線應(yīng)該上下移動了所述信號的至少一個波長的總距離。
[0045]雖然已展示上述實施例中的天線按圓形圖案移動或在垂直方向上上下移動，但是應(yīng)了解，本發(fā)明決不限于彼等特定圖案或方向。舉例來說，天線可能經(jīng)布置以通過組合圖6和圖8中展示的系統(tǒng)來按方向的組合移動。也就是，可使天線在垂直方向上上下移動且同時按圓形圖案來回移動。根據(jù)再一個實施例，可使天線按覆蓋天線四周更多區(qū)域的更復(fù)雜的圖案來移動。舉例來說，可使天線按周轉(zhuǎn)圓移動。
[0046]為了將多路徑誤差有效地平均掉或濾掉，優(yōu)選的是，無論使用什么圖案，天線都會橫穿使所追蹤數(shù)據(jù)將經(jīng)歷天線附近的可能多路徑影響的最大值和最小值的足夠距離。
[0047]由于天線正在按已知圖案移動，因此相對容易由從天線接收到的數(shù)據(jù)來確定實際的相對位置。舉例來說，可使用步進(jìn)電動機(jī)來使平臺旋轉(zhuǎn)。接著，可將步進(jìn)電動機(jī)的位置且因此天線的位置提供給GNSS接收器。可接著使用接收到的GNSS信息和步進(jìn)電動機(jī)位置信息來確定實際的相關(guān)位置的確切位置。舉例來說，在天線繞著固定或幾乎固定的位置旋轉(zhuǎn)的實施例中，相關(guān)位置可為固定或幾乎固定的位置本身。根據(jù)另一個實施例，可使用朝向傳感器(旋轉(zhuǎn)傳感器)來確定旋轉(zhuǎn)天線的位置(例如，朝向)。由此信息和接收到的GNSS信息，可容易地確定相關(guān)位置的位置。也可使用精確的GNSS RTK位置來確定天線的位置。
[0048]對于運動學(xué)定位來說，可在旋轉(zhuǎn)天線平臺上設(shè)置額外的慣性傳感器，所述傳感器可提供關(guān)于天線的短程運動的足夠知識以允許獲得位置誤差的所要平均效果。原則上，減少定義明確的天線參考點的運動學(xué)(例如，在移動的自行裝置上)數(shù)據(jù)可用與上述實施例類似的方式來執(zhí)行。一個差異是必須要知道天線系統(tǒng)相對于GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)(例如，WGS84)的相對方位。然而，當(dāng)使用INS或其它姿態(tài)傳感器(如絕對朝向和傾斜傳感器)時，用于確定天線系統(tǒng)相對于GNSS坐標(biāo)系統(tǒng)的相對方位的方法是眾所周知的。
[0049]對于靜態(tài)接收器(例如，參考站)來說，可觀測量(例如，代碼和相位測量)可返回參考已界定的站位置，因此得到明顯的靜態(tài)可觀測數(shù)據(jù)串流以便由常規(guī)處理軟件進(jìn)行處理。所述技術(shù)可同時適用于移動用戶和參考站。
[0050]為了變換從移動天線處收集到的測量以參考固定天線參考點，可使用以下方法:令
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑誤差的方法，所述方法包括: 從相對于所述固定或幾乎固定的位置而不斷地移動的天線接收信號，所述信號包含多路徑分量； 處理包含所述多路徑分量的所述接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述接收到的信號中的多路徑誤差；以及 基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是在所述固定或幾乎固定的位置四周按圓形圖案來移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述圓形圖案的直徑等于至少一個GNSS波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述直徑是至少24cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是按周轉(zhuǎn)圓來移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是按某圖案移動以使得橫越至少一個GNSS波長的最小值和最大值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述至少一個GNSS波長是基于GPSL2載波頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述GNSS波長為約24cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述天線是相對于所述固定或幾乎固定的位置而不斷地垂直移動。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述天線上下移動了對應(yīng)于至少一個GNSS波長的距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述至少一個GNSS波長為約24cm。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定步驟包括確定所述天線的位置以及由此返回參考所述固定或幾乎固定的位置的所述位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述處理期間將所述多路徑誤差平均掉。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在處理期間將所述多路徑誤差濾掉。
15.一種用于在確定固定或幾乎固定的位置的位置時減少多路徑誤差的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 移動平臺，其上面安裝有天線，所述移動平臺使所述天線相對于所述固定或幾乎固定的位置而不斷地移動； 接收器，用于從所述不斷地移動的天線接收信號，所述信號包含多路徑分量； 處理器，用于處理包含所述多路徑分量的所述接收到的信號，其中在所述處理期間減少所述接收到的信號中的多路徑誤差；以及 位置確定單元，用于基于所述多路徑誤差減少的所述經(jīng)處理的接收到的信號來確定所述固定或幾乎固定的位置的位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中旋轉(zhuǎn)所述移動平臺以使所述天線在所述固定或幾乎固定的位置四周按圓形圖案來移動。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述圓形圖案在所述固定或幾乎固定的位置上居中。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述天線安裝在所述移動平臺上與所述固定或幾乎固定的位置相距對應(yīng)于一個GNSS波長的至少一半的距離處。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述GNSS波長為約24cm。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述移動平臺使所述天線按周轉(zhuǎn)圓來移動。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述移動平臺使所述天線按某圖案移動以使得橫越至少一個GNSS波長的最小值和最大值。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個GNSS波長是基于GPSL2載波頻率。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中所述GNSS波長為約24cm。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述移動平臺使所述天線相對于所述固定或幾乎固定的位置而不斷地垂直移動。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中所述天線上下移動了對應(yīng)于至少一個GNSS波長的距離。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個GNSS波長為約24cm。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述位置確定單元確定所述天線的位置以及由此返回參考所述固定或幾乎固定的位置的所述位置。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中在所述處理期間將所述多路徑誤差平均掉。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中在處理期間將所述多路徑誤差濾掉。
【文檔編號】G01S19/22GK103675843SQ201310541202
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月17日
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