CN1853115A - 卫星定位系统中的海拔高度辅助 - Google Patents

Abstract

一种卫星定位系统，具有多个向卫星定位系统接收器发射扩展频谱信号的卫星，该卫星定位系统接收器能够使用三个扩展频谱信号和对近似于卫星定位系统接收器的海拔高度的数字海拔高度数据的多项式曲面拟合，来确定位置。

Description

卫星定位系统中的海拔高度辅助

对相关申请的交叉引用

本申请要求2003年8月1日提交的、发明名称为“Altitude Aiding in aSatellite Positioning System”的美国申请序列号10/633,488的优先权。

技术领域

本发明一般涉及卫星定位系统接收器，并且更具体地涉及海拔高度辅助卫星位置接收器。

背景技术

已经开发了卫星定位系统(SATPS)，其使得SATPS接收器能够在从多个卫星接收到SATPS扩展频谱信号时确定位置。SATPS的示例是由美国政府维护的全球定位卫星(GPS)。为了确定SATPS接收器的位置(纬度、经度和海拔高度)，SATPS接收器必须获取四个卫星。然而，在都市和郊区的室内或户外环境中，可能获取少于所需的卫星。此外，强信号遮蔽和信号衰减可能不利地影响SATPS接收器获取卫星的能力。如果获取四个卫星，则可以确定三维位置。如果获取三个卫星，则如果海拔高度已知，就可以确定二维位置(纬度和经度)。如果海拔高度不是充分巳知，例如当SATPS接收器用于诸如山脉的不平海拔区域中时，进一步影响使用三个卫星的准确二维位置。一种帮助在获取三个卫星的情况下进行位置确定的方案采用了使用最后从四个所获取的卫星计算出的巳知海拔高度的算法。然而，SATPS接收器的海拔高度相对于最后巳知海拔高度改变得越多，则导致SATPS接收器位置确定的位置误差就越大。

因此，需要用于在仅仅三个卫星可获取时确定SATPS接收器的位置的方法和系统，其克服了上面阐述的多个缺点和先前经历的其它缺点。

发明内容

按照本发明的系统提供了一种方案，其用于在仅仅获取三个SATPS卫星时，利用数字海拔高度数据在SATPS中确定位置。从SATPS卫星获得三个SATPS测量，并且从地形数据库获得数字海拔高度数据。使用三个伪范围方程和海拔高度方程来确定SATPS接收器的位置。

对于本领域的技术人员而言，通过参阅以下附图和详细描述，本发明的其它系统、方法、特征和优点将是清楚的或者将会变得清楚。所有这样的附加系统、方法、特征和优点意欲包括在本描述内、在本发明的范围内、并且由所附权利要求保护。

附图说明

附图中的各部件不一定是按比例的，而是将重点放在示出本发明的原理上。在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记指定对应的部分。

图1示出了具有四个卫星和SATPS接收器的卫星定位系统(SATPS)。

图2是与具有数字地形海拔数据的服务器通信的、图1的SATPS接收器的方框图。

图3是对图2的数字地形海拔数据采用的双线性插值的图。

图4是在图3中识别的四个竖高高度(orthometric height)的图示。

图5是用于使用具有数字地形海拔数据的SATPS接收器确定位置的步骤的流程图。

具体实施方式

首先，转向图1，该图示出了卫星定位系统(SATPS)100，其具有与四个卫星106、108、110和112通信的、位于陆地104上的SATPS接收器102。SATPS接收器102通过天线114从四个卫星106、108、110和112接收SATPS扩展频谱信号116、118、120和122。以相同频率发射四个SATPS扩展频谱信号116、118、120和122。理想的是，SATPS接收器102从尽可能多的卫星接收SATPS扩展频谱信号，但是为了求解位置，如x、y和z或纬度、经度和海拔高度坐标，在知道接收器海拔高度的情况下，SATPS系统100中的至少三个SATPS卫星必须与SATPS接收器102通信。否则，需要至少四个SATPS卫星。

作为对来自卫星106、108、110或112之一的SATPS扩展频谱信号的替换，基于陆地的伪装置(pseudollite)126可以将SATPS扩展频谱信号128发射到SATPS接收器102。SATPS接收器102仍然需要三个扩展频谱信号并知道海拔高度，以便确定SATPS接收器102的位置。在另一实现中，诸如在蜂窝电话中的组合无线设备和SATPS接收器102可以从伪装置126接收海拔高度信息。略举数例，在其它实现中，可以由诸如PCS系统的无线数据网络、蓝牙系统、专用无线数据网络、以及在电视载波内传送海拔高度信息。

在图2中，示出了与具有数字地形海拔数据的服务器250通信的、图1的SATPS接收器102的方框图。SATPS接收器102通过天线114在无线电收发器202处获取三个SATPS扩展频谱信号，如116、118和120。在导航处理器208的控制下，滤波器206对SATPS扩展频谱信号进行滤波。导航处理器208耦接到滤波器206、时钟210、存储器212和接口216。时钟210可以从振荡器提供多个时钟信号，以便帮助获取和处理SATPS扩展频谱信号，并且还为导航处理器提供定时，以便向和从滤波器206、存储器212和接口216传输数据。接口216可以耦接到显示器214，或者可以由接口216输出位置输出数据。

在当前实现中，没有将地形数据库从服务器250传递到SATPS接收器102。相反地，将代码相位(code phase)从SATPS接收器102发送到服务器250。在服务器250中，将这些代码相位转换成伪范围测量。使用地形数据库的位置确定计算不是在208中进行的。相反地，在250的处理器，如控制器256中进行计算。

如果SATPS接收器102能够仅仅接收或者获取三个SATPS扩展频谱信号，如116、118和120，则导航处理器208将与SATPS卫星信号相关联的代码相位信息提供给服务器250。服务器250被示出通过服务器收发器252与SATPS接收器102进行无线电通信。服务器250具有控制器256，其连接到服务器收发器252、时钟258、存储器260、数字地形海拔数据存储器262和网络接口266。时钟可以提供多个定时信号，用于由服务器收发器252、控制器256、存储器260和数字地形海拔数据存储器262使用。控制器256通过数据总线264连接到存储器260和数字地形海拔数据存储器262。控制器还耦接到网络接口266，其使得服务器250能够与更大的网络进行通信。网络可以是PCS网络、蜂窝网络、PSTN网络、蓝牙网络或者其它公知的有线或无线类型的网络。

可以将由控制器256执行并控制服务器250的操作的指令包含在存储器260中。存储器260可以是任何类型的接受和存储可机读指令的存储器或存储设备。存储器260和数字地形海拔数据存储器262被示出为独立的存储器，但是在其它实现中，可以仅仅采用一个存储器。

由服务器收发器252通过天线254从SATPS接收器102接收用于利用数字地形海拔数据的处理的请求，并且在存储器260中的可机读指令的控制下由控制器256处理它。来自SATPS接收器的请求包含与适当的SATPS卫星106、108和110相关联的代码相位。服务器250可以使用来自SATPS接收器102的代码相位，确定估算位置。在其它实现中，来自SATPS接收器102的请求可以包含SATPS接收器102的位置的估算。控制器256通过数据总线264访问数字地形海拔数据存储器262，以便检索与SATPS接收器102的估算位置相关联的数字地形海拔数据。在服务器250处估算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、或采用无线电收发器202的有向天线和巳知功率设置的三角测量方案。

然后，由控制器256处理来自数字地形海拔数据存储器262的数字地形海拔数据，以便确定接收器102的位置。一旦确定了SATPS接收器102，就由服务器收发器252通过天线254将包含该位置的消息发送到SATPS接收器102。在另一实现中，由控制器256并且通过天线254，将来自数字地形海拔数据存储器262的数字地形海拔数据发送到服务器收发器252，然后传送到SATPS接收器102，并且导航处理器208使用所接收的数字地形海拔数据，确定SATPS接收器102的位置。在其它实现中，可以将数字地形海拔数据包含在网络内的公共地方，并且服务器250将通过网络接口266访问该公共地方。

数字地形海拔数据的示例包括用于商业和公众使用的1999 NIMA标准数字数据集(DTED)级别0。DTED提供世界范围的覆盖，并且是地形海拔值的统一矩阵，其提供地形海拔、斜度和/或表面凹凸不平信息的基本定量数据。DTED级别0海拔标志(post)间距是30弧秒(arc seconds)(大约1公里)。除了分立(discrete)的海拔文件之外，单独的二进制文件可以提供在30弧秒正方形区域中计算出的最低、最高和平均海拔值。数字地形海拔数据的另一示例是具有30弧秒间距的GTOPO30。该数字海拔模型从地形信息的几个栅格(raster)和矢量源导出。

存储器212、260和262可以是RAM、DRAM、SDRAM、EEPROM，RAM、DRAM、SDRAM和EEPROM的组合，或任何其它类型的可读/写存储器。本领域的技术人员应当理解，可以将与本发明一致的系统和方法的全部或部分存储在其它可机读介质中或从其读取，例如，诸如硬盘、软盘和CD-ROM的次级存储设备；从网络接收的信号；或者当前公知的或以后开发出的其它形式的ROM或RAM。此外，虽然描述了SATPS 100的具体部件，但是本领域的技术人员应当理解，适合与按照本发明的方法、系统和产品一起使用的定位系统可以包含附加的或不同的部件。例如，导航处理器208可以是微处理器、微型控制器、专用集成电路(“ASIC”)、用作中央处理单元的其它类型的电路的分立体或组合体。

随同代码相位一起处理数字地形海拔数据，以便确定SATPS接收器102的位置。导航处理器208采用从三个SATPS扩展频谱信号检索的数据和数字地形海拔数据，形成四个联立方程。从数字地形海拔数据导出的第四方程是对适当地形的多项式(以纬度φ和经度λ的2个变量)曲面拟合的结果。为了从位于服务器250内的数字地形海拔数据存储器262中的数字地形海拔数据选择适当的地形，首先针对固定高度“h”求解来自三个卫星106、108和110的SATPS扩展频谱信号116、118和120。最初，可以将固定值“h”指定为在基站附近的“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”中的误差是“h”的平均值和最小或最大值之间的差值的绝对值。利用该信息，具有固定“h”的三个SATPS卫星位置的求解与估算误差椭圆一起出现。

由导航处理器208构造沿着误差椭圆的长轴和短轴方向的网格点。使步长的大小(沿着长轴和短轴的方向)分别与长轴和短轴的大小成比例(1.5倍)。在其它实现中，可以采用沿着长轴和短轴的其它步长大小。椭圆的中心是根据三个SATPS卫星信号116、118、120和固定的“h”确定的二维位置。在其它实现中，步长大小可以不同。在当前实现中，在网格中选择了25个点。在其它实现中，可以选择不同数目的点。通过索引该网格点所处的四个角点，然后使用角点之间的双线性插值，从数字地形海拔数据(DTED)获得在这些点的高于平均海平面的海拔高度值。通过在从三个SATPS卫星信号116、118和120以及固定的“h”确定的三个SATPS卫星求解点处添加从地心引力模型(EGM-84)导出的大地水准面“N”间隔(Geoid“N”separation)，将所获得的高度值“H”转换成全球大地基准点(World Geodetic Datum)(WGS-84)。可以采用地心引力模型EGM-96或其它类型的地心引力模型来确定大地水准面“N”间隔。

对于φ、λ和“h”的25个点的网格，使用最小二乘法(LSQ)得到以φ和λ表示的四阶多项式，从而导致需要确定15个系数。为了处理不良条件(illconditioning)，以表示与中心点的成比例偏差的新变量得到多项式(从三个SATPS卫星信号116、118和120以及固定的“h”确定的三个SATPS卫星求解)。使用Q-R分解的数值方法，例如改进的Gram-Schmidt(革兰-施密特)过程，其仅仅使Q正交而不是标准正交(以避免平方根运算)。

网格点海拔高度与曲面拟合的最大偏差是与该第四多项式方程相关联的误差。如果该误差超过某误差阈值，则否决该多项式拟合，并且需要多于一次多项式曲面拟合。在其它实现中，可以采用不同的误差阈值。如果没有超过误差阈值，则仅仅需要一次多项式曲面拟合。

求解与三个SATPS卫星信号116、118和120相关联的三个多项式方程、以及从地形海拔数据获得的第四多项式方程，以获得曲线坐标φ、λ、H和时钟偏差的曲面坐标、而不是使用陆地中心陆地固定(ECEF)坐标。保留ECEF坐标公式，并且由以相应的Jacobian(雅可比)工作的导航处理器208将其从ECEF改变到WGS 84曲线坐标，其中Jacobian是从微分ECEF坐标到微分曲线坐标的坐标变换。如果存在收敛，则如果它属于多项式曲面拟合的区域，就接受收敛解。

当确定了SATPS接收器102的位置并且由SATPS接收器102接收时，导航处理器2085通过接口216将位置显示在显示器214上。在其它实现中，数字地形海拔存储器262可以作为独立的存储器，被包含在位于SATPS接收器102中的数字地形海拔数据存储器内，或者可以在存储器212内。在其它实现中，SATPS接收器102仅仅是诸如蜂窝电话或其它无线设备的较大设备的模块，其中通过位置数据输出218将位置数据输出到该设备内的另一模块。

在图3中，示出了采用图2的数字地形海拔数据的双线性插值的图。通过行304和列306，从西南角302(φ_r，λ_r)访问1×1度数增量的数字地形海拔数据的表300。给定纬度φ_u和经度λ_u，得到表300(DTED数据文件)的最近西南角302，并且将其用作在表300中查找索引的基准。该索引用来检索H。在其它实现中，可以通过对方程进行适当的修改来使用可用数字地形海拔数据的不同位置或角、以及不同于DTED的数据类型。该方程为：

                 y＝λ_u-λ_r

其中：

λ_r  可用DTED数据文件的西南角的基准经度。

λ_u  先验的/用户经度。

y    度数差(经度)。

              x＝φ_u-φ_r

其中：

φ_r  可用DTED数据文件的西南角的基准纬度。

φ_u  用户纬度。

x    度数差(纬度)。

$\mathrm{brow}=\left[\frac{y*3600}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{spacing}}}\right]$

其中：

Δλ_spacing  30″弧秒的DTED级别0网格间距。

y            度数差。

brow         在范围[0，119]中的、在DTED数据文件内的整数行值。

$\mathrm{bcol}=\left[\frac{x*3600}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{spacing}}}\right]$

其中：

Δφ_spacing  30″弧秒的DTED级别0网格间距。

x            度数差。

bcol         在范围[0，119]中的、在DTED数据文件内的整数列值。

brow 304和bcol 306的值用来在数据文件中查找索引，然后该索引使得能够访问海拔高度值H₃、纬度φ₃和经度λ₃。

转向图4，示出了在图3中识别的四个竖高高度的图400。分别从(brow+1)和bcol、(brow+1)和(bcol+1)、以及brow和(bcol+1)中获得竖高高度H₁ 408、H₂ 406和H₄ 404。然后，由下式获得在φ_u和λ_u的H：

$x^{\′}=\frac{({\mathrm{\φ}}_u-{\mathrm{\φ}}_3)3600}{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{spacing}}-\mathrm{bcol})}$

其中：

x′根据基准纬度、纬度网格间距和DTED列位置的加权比。

$y^{\′}=\frac{({\mathrm{\λ}}_u-{\mathrm{\λ}}_3)3600}{(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{spacing}}-\mathrm{brow})}$

其中：

y′根据用户/基准经度、网格间距和DTED列位置的加权比。

    H_i＝H₁+(H₂-H₁)·x′+(H₄-H₁)·y′+(H₁+H₃-H₂-H₄)·x′·y′

其中：

H₁，…，H₄  表示给定搜索出的行和列结果中的4个竖高高度。

H_i            确定插值竖高高度和这些点中的25个。

为了估算25个点的“h”，需要从作为φ_u和λ_u的函数的EGM-84模型估算大地水准面N，该处理与从DTED确定H相同。一旦估算了N，就使用按照N的线性偏移来确定“h”。

通过求解下式，确定根据三个卫星信号方程(伪范围)和平均值“h”的LSQ解。

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(s_{1x}-p_x)}^2+{(s_{1y}-p_y)}^2+{(s_{1z}-p_z)}^2}\·(1-m_1)+b$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(s_{2x}-p_x)}^2+{(s_{2y}-p_y)}^2+{(s_{2z}-p_z)}^2}\·(1-m_2)+b$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(s_{3x}-p_x)}^2+{(s_{3y}-p_y)}^2+{(s_{3z}-p_z)}^2}\·(1-m_3)+b$

$h=\sqrt{{({p^{\′}}_x-p_x)}^2+{({p^{\′}}_y-p_y)}^2+{({p^{\′}}_z-p_z)}^2}\·\mathrm{sgn}\left(h\right)$

其中(s_1x，S_1y，S_1z)是在接收时间，SATPS卫星“i”的天线相位中心的ECEF坐标，(p_x，p_y，p_z)是SATPS接收器102的天线114相位中心的ECEF坐标，“b”是伪范围测量中的共同偏移量，m_i是卫星平均运动校正项(下面给出)，(p′_x，p′_y，p′_z)是在WGS-84椭圆体上的(p_x，p_y，p_z)的投影的ECEF坐标，ρ_i是SATPS卫星i的测量伪范围，h是高于WGS-84椭圆体的高度，并且如果h＞0则sgn(h)＝1，如果h＜0则sgn(h)＝-1，并且当h＝0时，它是未定义的(此时，方程本身简化成恒等式，但是仍然定义该方程的微分型式)。“h”由如先前获得的平均值“h”给定。假定接收时间具有小于大约10ms的误差，从而如从星历表(ephemeris)计算的SATPS卫星106、108和110位置具有良好的准确度。平均运动校正项m_i如下给出：

其中×表示矢量叉积，о表示矢量点积，v_i是SATPS卫星i的速度矢量，s_i是SATPS卫星i的位置矢量，ω是地球自转矢量，并且p是SATPS接收器102位置矢量，全部矢量的x、y和z坐标都是在ECEF中，并且除了co之外，所有都对应于天线114相位中心。

如果(p^* _x，p^* _y，p^* _z)是基准或近似位置的ECEF坐标，其用作对于(p_x，p_y，p_z)的初始猜测，并且假设b^*是对于伪范围偏移量的初始猜测。使用泰勒级数将左边扩展成第一阶近似将给出下面的方程：

$\left[\begin{array}{cccc}-l_{1x}& -l_{1y}& -l_{1z}& 1\\ -l_{2x}& -l_{2y}& -l_{2z}& 1\\ -l_{3x}& -l_{3y}& -l_{3z}& 1\\ -d_x& -d_y& -d_z& 0\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{p}_x\\ {\mathrm{\Δp}}_y\\ {\mathrm{\Δp}}_z\\ \mathrm{\Δb}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ρ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_2\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_3\\ \mathrm{\Δh}\end{array}\right]$

其中，l_i是从接收器指向SATPS卫星i的视线单位矢量，并且d是向下方向单位矢量，其沿着向下正交方向指向WGS-84椭圆体，Δp_x、Δp_y和Δp_z是微分位置坐标，Δb是微分伪范围偏移量，Δρ₁、Δρ₂和Δρ₃是微分伪范围，以及Δh是微分h。视线单位矢量的线(line)如下给出：

$l_i=\frac{1}{\sqrt{{(s_{\mathrm{ix}}-p_x^{*})}^2+{(s_{\mathrm{iy}}-p_y^{*})}^2+{(s_{\mathrm{iz}}-p_z^{*})}^2}}\·(s_i-p^{*})$

向下方向单位矢量如下给出：

$d=\left[\begin{array}{c}-\cos {\mathrm{\λ}}^{*}\·\cos {\mathrm{\φ}}^{*}\\ -\sin {\mathrm{\λ}}^{*}\·\cos {\mathrm{\φ}}^{*}\\ -\sin {\mathrm{\φ}}^{*}\end{array}\right]$

其中(φ^*，λ^*，h^*)是p^*的WGS-84大地坐标。

${\mathrm{\Δ\ρ}}_i={\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_i^{*}$

其中ρ_i ^*是从伪范围和平均值“h”的方程的右边获得的，并且

                        Δh＝h-h^*

求解泰勒级数方程，以获得Δp_x、Δp_y、Δp_z和Δb。然后，将位置和时钟偏差的估算更新为：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{p}}_x\\ {\hat{p}}_y\\ {\hat{p}}_z\\ \hat{b}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_x^{*}\\ p_y^{*}\\ p_z^{*}\\ b^{*}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δp}}_x\\ {\mathrm{\Δp}}_y\\ {\mathrm{\Δp}}_z\\ \mathrm{\Δb}\end{array}\right]$

这是牛顿-拉普森(Raphson)更新。接下来，用新估算代替初始估计如下：

$\left[\begin{array}{c}{p}_x^{*}\\ p_y^{*}\\ p_z^{*}\\ b^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\hat{p}}_x\\ {\hat{p}}_y\\ {\hat{p}}_z\\ \hat{b}\end{array}\right]$

并且继续迭代，直至Δp_x、Δp_y、Δp_z和Δb变得小于阈值。

利用25个点的网格，以如下按照WGS-84φ和λ给出的辅助变量 φ和λ，建立二维多项式：

         φ＝q·(φ-φ_c)      λ＝q·(λ-λ_c)

其中q是比例因子(选择为100)，并且φ_c和λ_c分别是先前获得的解的次数(degree)的WGS-84纬度和经度。LSQ多项式曲面拟合方程由下式给出；

h＝p( φ， λ)＝c₀· φ+c₁· λ+c₂· φ²+c₃· φ· λ+c₄· λ²+…+c_m-2· λⁿ+c_m-1

由下面递归公式给出次数n的系数总数m：m(n)＝rn(n-1)+(n+1)，其中m(0)＝1。对于次数n＝4，m＝15。通过使用最小二乘法求解下面线性方程而获得系数c_i，其中i＝1，…，m。

$\left[\begin{array}{cccccccc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_1& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_1^2& {\mathrm{\φ}}_1\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1^2& \·\·\·& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1^n& 1\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_2& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_2^2& {\mathrm{\φ}}_2\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2^2& \·\·\·& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2^n& 1\\ \·& \·& \·& \·& \·& & \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\·\·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& & \·& \·\\ {\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_r& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_r& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\φ}}}_r^2& {\mathrm{\φ}}_r\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_r& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_r^2& \·\·\·& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_r^n& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{c}_0\\ c_1\\ c_2\\ c_3\\ c_4\\ \·\\ \·\\ \·\\ c_{m-2}\\ c_{m-1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{h}_1\\ h_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ h_r\end{array}\right]$

其中下标i(除在系数上的之外)表示地形的第i个点。如下选择这些点：中心点(如由φ_c、λ_c和h_c给出)是与先前获得的解相对应的点。该解还伴随着长半轴a_e、短半轴b_e、以及角度θ_c的水平误差椭圆参数，其中角度θ_c是以逆时针方向为正而测量的、长半轴对着朝东方向的角度。该信息用来如下创建点的网格：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δn}\\ \mathrm{\Δe}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_e& -{\sin \mathrm{\θ}}_e\\ {\sin \mathrm{\θ}}_e& {\cos \mathrm{\θ}}_e\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}i\·{\mathrm{\Δa}}_e\\ j\·{\mathrm{\Δb}}_e\end{array}\right]$

i＝-k，…k    j＝-k，…，k

和

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_i\\ {\mathrm{\λ}}_j\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_c\\ {\mathrm{\λ}}_c\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δn}/\left((N_c+h)\cos {\mathrm{\φ}}_c\right)\\ \mathrm{\Δe}/(M_c+h_c)\end{array}\right]$

其中，

$M_c=\frac{a(1-e^2)}{{(1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_c)}^{3/2}}$ 并且 $N_c=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2{\mathrm{\φ}}_c}}$

其中a是WGS-84椭圆体的长半轴，并且e是其偏心率。选择Δa_e为1.5a_e，并且选择Δb_e为1.5b_e。

选择k值为2，从而给出总点数r＝25，并且给出沿着长半轴和短半轴的覆盖3-sigma(西格玛)区域。选择多项式的次数n为4阶，从而给出系数数目m＝15。因此，方程的系统是25个方程和15个未知数，并且借助于改进的Gram-Schmidt过程来求解。

采用通常的矩阵表示法的LSQ多项式曲面拟合方程是A·C＝H，并且最小二乘解的目标是最小化(A·C-H)^T·W·(A·C-H)，其中W是正定加权矩阵。通过求解方程组A^T·W·A·C＝A^T·W·H来获得最优解。通过使用分解W＝Γ^T·Γ并且使用B＝A·Γ，可以将该方程组写成B^T·B·C＝B^T·Γ·H。还可以将该新方程组写成R·C＝D^-1·Q^T·H，其中将B分解成B＝Q·R，其中R是单位上三角矩阵(R的对角线元素全是一并且对角线以下的元素全是零)，使得Q^T·Q＝D，D为对角矩阵。可以使用回代法求解上三角形方程组。在上面，使用了两个分解。第一个是W＝Γ^T·Γ。这可以使用Cholesky法来进行。通常，W是对角的，从而Γ也是对角的，并且它可以简单地通过获得W的对角元素的平方根而获得。甚至更简单的情况是在当W＝I时，其中I是单位矩阵，因而同样Γ＝I。在解中使用该相同的加权。第二分解是B＝Q·R。可以通过改进的Gram-Schmidt法而获得该分解，其中，改进的Gram-Schmidt法通过由于Q仅仅正交(而非标准正交)而避免了平方根运算来给出Q、R和D。

通过(使用固定的“h”)如前所述的LSQ求解方法，求解来自三个伪范围的方程和多项式曲面方程，其中具有两个例外。以作为采用φ和λ的多项式的海拔高度方程代替最后(第四)方程(固定“h”)。通过这一变更，以φ、λ和h为未知数而不是在ECEF构架(frame)中考虑前三个方程是方便的。这样，将方程写成：

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(s_{1x}-p_x(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{1y}-p_y(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{1z}-p_z(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2}\·(1-m_1)+b$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(s_{2x}-p_x(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{2y}-p_y(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{2z}-p_z(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2}\·(1-m_2)-b$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(s_{3x}-p_x(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{3y}-p_y(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2+{(s_{3z}-p_z(\mathrm{\φ},\mathrm{\λ},h))}^2}\·(1-m_3)+b$

  h＝c₀· φ(φ)+c₁· λ(λ)+c₂· φ(φ)²+c₃· φ(φ)· λλ+C₄· λ(λ)²+…+c_m-2· λ(λ)ⁿ+c_m-1

其中：

            p_x＝(N-h)·cosφ·cosλ

            p_y＝(N+h)·cosφ·sinλ

            p_z＝((1-e²)·N+h)·sinφ

使用牛顿-拉普森法求解方程组。这次，由先前获得的(φ_c，λ_c，h_c)给出初始猜测。此外，假设b_c是再次从先前的解获得的、对于伪范围偏移量的初始猜测。使用泰勒级数将围绕该初始猜测的多项式曲面方程的左边扩展成一阶近似，并且求解Δφ、Δλ、Δh和Δb，然后，应用与对固定“h”LSQ的解相同的过程来产生所求的解。

在图5中，示出了用于使用具有数字地形海拔数据的SATPS接收器确定位置的步骤的流程图500。SATPS接收器102通过接收三个SATPS卫星扩展频谱信号116、118和120以及来自服务器250中的数字地形海拔数据存储器262的数字地形海拔数据而开始(502)。当确定了基准位置时，通过中心的基准位置检索向东和向北方向离开1公里的点的竖高高度(504)。在(2·N+1)×(2·N+1)个点的网格上考虑总共(2·N+1)²个点。将竖高“H”坐标转换成WGS84“h”。确定平均“h”，并且“h”误差等于平均“h”和最大或最小“h”之间的差值的绝对值(较大者)。

使用SATPS伪范围测量、步骤506中的平均“h”和“h”误差，来得到位置和对应的水平误差椭圆参数(508)。然后，以在步骤508中确定的位置为中心，在510中沿着椭圆的长轴和短轴构造矩形网格上的点的“H”。沿着长轴的连续点之间的间隔是长轴大小的1.5倍，并且沿着短轴，它等于1.5倍的短轴大小。在5×5点的网格上考虑总共25个点。

采用15个系数，以φ和λ的变量，对在步骤510中先前获得的25个点拟合4次二维多项式。确定多项式拟合的最大残差，并且如果在步骤514中，该误差超过预定阈值，则生成错误消息516并且完成处理518。否则，如果在步骤514中没有超过预定阈值，则随同步骤512的最大残差一起，求解SATPS伪范围方程组和多项式方程，以确定位置520。在步骤522中，进行检查，以确定在步骤520中获得的φ和λ是否属于在步骤512中在其上完成了曲面拟合的网格。如果是，则接受该解，并且完成处理518，否则否决该解524。

为了示例说明起见，该处理被示出为停止518。实际上，可以继续该处理，并再次在步骤502开始，进入空闲状态直至被指示处理新的位置信息，或者执行存储在某种存储器中的其它多条可机读指令。前述步骤可以与附加的步骤或与组合的步骤一起发生。

为说明和描述起见，提供了前面的实现描述。它不是穷尽性的并且不将本发明限于所公开的确切形式。根据上面描述，修改和变化是可能的，或者可以从实施本发明中获取它。例如，所述实现包括软件，但是可以以硬件和软件的组合或仅仅硬件实现本发明。还要注意，该实现可以在系统之间改变。权利要求及其等价物限定本发明的范围。

Claims (34)

1.一种能够接收至少三个定位信号的卫星定位接收器，包括：

导航处理器，其处理所述至少三个定位信号并确定至少三个代码相位；以及

根据初始数字地形海拔数据确定的位置，其中所述初始数字地形海拔数据被用于利用所述至少三个代码相位和从所述初始数字地形海拔数据导出的海拔高度方程来计算解。

2.如权利要求1所述的卫星定位接收器，其中所述解还包括：

海拔高度方程中的水平误差椭圆参数，其形成与海拔高度误差相对应的、具有长轴和短轴的误差椭圆；

沿着长轴和短轴的多个点，其形成网格点的网格；以及

存储器，其包含在网格点处的数字地形海拔数据。

3.如权利要求2所述的卫星定位接收器，包括：

接收多个卫星代码相位的服务器，其中每个卫星代码相位与无线网络上的卫星位置系统信号相关联；以及

服务器中的控制器，其访问初始数字地形数据，以便确定解。

4.如权利要求2所述的卫星定位接收器，其中响应于接收与所述至少三个定位信号不同的信号，从存储器检索初始数字地形海拔数据。

5.如权利要求2所述的卫星定位接收器，其中存储器中的数字地形海拔数据是NIMA(DTED)级别0数字平均海拔数据。

6.如权利要求2所述的卫星定位接收器，其中存储器中的数字地形海拔数据是GTOPO30全球海拔数据。

7.如权利要求2所述的卫星定位接收器，还包括：

由导航处理器计算的网格点上的多项式表面拟合中的最大残差低于预定阈值。

8.如权利要求7所述的卫星定位接收器，其中预定阈值是100米。

9.如权利要求1所述的卫星定位接收器，其中导航处理器是位于服务器中的处理器。

10.一种在接收至少三个定位信号时确定接收器的位置的方法，包括：

使用所述至少三个定位信号来识别基准位置；

检索初始高度；

根据初始高度确定平均高度以及平均高度误差；

导出与所述至少三个定位信号相关联的至少三个联立方程；

使用平均高度和平均高度误差求解所述至少三个联立方程，其产生位置和对应的水平误差椭圆；

对所述对应的水平误差椭圆拟合二维多项式；以及

求解所述至少三个联立方程和二维多项式，其产生卫星定位接收器的海拔高度。

11.如权利要求10所述的方法，其中确定平均高度还包括：

识别最小高度和最大高度中的一个；以及

将高度误差设置成等于在最小高度和最大高度中的所述一个和平均高度之间的差值的绝对值。

12.如权利要求10所述的方法，其中检索初始高度还包括：

将多个代码相位传送到服务器，其中每个代码相位与每个定位信号相关联；以及

访问存储在存储器中的数字地形数据，以检索初始高度。

13.如权利要求12所述的方法，其中无线网络是蜂窝通信网络。

14.如权利要求10所述的方法，其中检索初始高度还包括：

从位于卫星定位接收器内的存储器接收初始高度。

15.如权利要求10所述的方法，还包括：

使用变量从二维多项式获取另一高度；以及

比较所述另一高度和海拔高度之间的差值与预定阈值。

16.如权利要求15所述的方法，其中预定阈值等于100米。

17.如权利要求10所述的方法，其中接收器位于服务器中。

18.一种接收至少三个定位信号的卫星定位接收器设备，包括：

用于使用所述至少三个定位信号来识别基准位置的装置；

用于检索初始高度的装置；

用于根据初始高度确定平均高度以及平均高度误差的装置；

用于导出与所述至少三个定位信号相关联的至少三个联立方程的装置；

用于使用平均高度和平均高度误差求解所述至少三个联立方程、以产生位置和对应的水平误差椭圆的装置；

用于对所述对应的水平误差椭圆拟合二维多项式的装置；以及

用于求解所述至少三个联立方程和二维多项式、以产生卫星定位接收器的海拔高度的装置。

19.如权利要求18所述的设备，其中确定平均高度的装置还包括：

用于识别最小高度和最大高度中的一个的装置；以及

用于将高度误差设置成等于在最小高度和最大高度中的所述一个和平均高度之间的差值的绝对值的装置。

20.如权利要求18所述的设备，其中用于检索初始高度的装置还包括：

用于从位于无线网络中的服务器接收初始高度的装置。

21.如权利要求20所述的设备，其中无线网络是蜂窝通信网络。

22.如权利要求18所述的设备，其中用于检索初始高度的装置还包括：

用于从位于卫星定位接收器内的存储器接收初始高度的装置。

23.如权利要求18所述的设备，还包括：

用于使用变量从二维多项式获取另一高度的装置；以及

用于比较所述另一高度和海拔高度之间的差值与预定阈值的装置。

24.如权利要求23所述的设备，其中预定阈值是100米。

25.一种用于卫星定位接收器设备的可机读信号承载介质，包含多个可机读信号，其包括：

用于在接收到至少三个定位信号时识别基准位置的装置；

用于检索初始高度的装置；

用于根据初始高度确定平均高度以及平均高度误差的装置；

用于导出与所述至少三个定位信号相关联的至少三个联立方程的装置；

用于使用平均高度和平均高度误差求解所述至少三个联立方程、以产生位置和对应的水平误差椭圆的装置；

用于对所述对应的水平误差椭圆拟合二维多项式的装置；以及

用于求解所述至少三个联立方程和二维多项式，以产生卫星定位接收器的海拔高度的装置。

26.如权利要求25所述的可机读信号承载介质，其中确定平均高度的装置还包括：

用于识别最小高度和最大高度中的一个的装置；以及

用于将高度误差设置成等于在最小高度和最大高度中的所述一个和平均高度之间的差值的绝对值的装置。

27.如权利要求25所述的可机读信号承载介质，其中用于检索初始高度的装置还包括：

用于从位于无线网络中的服务器接收初始高度的装置。

28.如权利要求27所述的可机读信号承载介质，其中无线网络是蜂窝通信网络。

29.如权利要求25所述的可机读信号承载介质，其中用于检索初始高度的装置还包括：

用于从存储器接收初始高度的装置。

30.如权利要求25所述的可机读信号承载介质，还包括：

用于使用变量从二维多项式获取另一高度的装置；以及

用于比较所述另一高度和海拔高度之间的差值与预定阈值的装置。

31.如权利要求30所述的可机读信号承载介质，其中预定阈值是100米。

32.一种服务器，包括：

收发器，其接收多个卫星代码相位；

具有数字地形海拔数据的存储器；以及

控制器，其处理所述多个代码相位，并且使用初始高度来访问存储器中的数字地形数据，以确定由所述多个卫星代码和数字地形数据表示的位置。

33.如权利要求32所述的服务器，还包括：

包含从收发器发送的位置数据的消息。

34.如权利要求32所述的服务器，包括：

海拔高度方程中的水平误差椭圆参数，其形成与关于初始高度的海拔高度误差相对应的、具有长轴和短轴的误差椭圆；以及

沿着长轴和短轴的多个点，其形成网格点的网格，控制器访问在网格点处的、存储器中的数字地形海拔数据。

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