[发明专利]电离层建模装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

要求2005年9月9日提交的临时美国专利申请60/715,752的提交日的权利。

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统的领域。具体地，本发明涉及电离层建模和对两个或更多载波的GNSS信号的模糊度求解。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)包括全球定位系统(GPS)、Glonass(格洛纳斯)系统和已提出的Galileo(伽利略)系统。每个GPS卫星使用称为L1和L2的、各自频率为1575.41MHz和1227.60MHz的L频带中的两个无线频率来连续发送。两个信号在L1上被发送，一个用于民用，另一个用于由美国国防部(DoD)授权的用户。一个信号在L2上被发送，其仅用于DoD授权的用户。每个GPS信号具有在L1和L2频率的载波、伪随机数(PRN)码和卫星导航数据。两个不同的PRN码被每个卫星发送：粗捕获(C/A)码和针对DoD授权的用户被加密的精密(P/Y)码。每个C/A码是每毫秒重复的1023个比特的唯一序列。

图1概略地示出了用于确定移动接收机(漫游者)的位置的典型现有技术场景。漫游者100接收来自视野内的任意数量卫星的GPS信号，所述卫星例如是分别在110、120和130所示的SV1、SV2和SVM。信号穿过地球的电离层140以及穿过地球的对流层150。每个信号具有两个频率L1和L2。接收机100根据信号确定至每个卫星各自的伪距PR1，PR2，...，PRM。如在160处示意性地指出的，由于信号穿过电离层和对流层和多径效应所造成的信号通路的变化，伪距确定是失真的。

伪距可以使用C/A码以大约一米的误差来确定，不使用仅军用P/Y码的民用接收机以几米范围内的误差确定漫游者位置。然而，L1和L2载波的相位可以以0.01-0.05个周期(对应于2mm到1cm的伪距误差)的精确度来测量，这使之能够以几毫米到几厘米范围内的误差来估计漫游者的相对位置。L1和L2载波的相位的精确测量需要具有对所有观测时刻的电离层和对流层的效应的良好知识。

载波相位定位解决方案的最大误差是由于电离层即围绕地球的一层带电气体而造成的。当从卫星发射的信号在其去往地面接收机的途中穿透该介质时，其经历了其信号传播时间的延迟和其载波相位的偏移(相位前移)。快速和可靠的定位需要用于校正这些非几何影响的电离层的空时相关性的良好模型。

使用已知位置的多个参考站的网络解决方案使得校正项能够从信号测量中被提取；那些校正可以被插入网络内的所有位置。例如参见美国专利5,477,458“Network for Carrier Phase Differential GPS Corrections”和美国专利5,899,957“Carrier Phase Differential GPS CorrectionsNetwork”。

图2示出了一种网络技术，其中，已知位置为211，212，213，...，21N的N个地面参考站从M个卫星221，222，...，22M接收GNSS信号。GNSS信号受到电离层230、对流层和多径效应的干扰。每个参考站的坐标是准确已知的。这些站使用当前时间点(epoch)的GNSS信号测量和其已知位置来计算关于每个卫星m的残差(residual error)。这样，每个参考站n获得对每个所观测卫星m的伪距校正(PRC(t；t₀；n；m))。这些校正被发送到位于网络内部或外部的中央站240。中央站240计算对于与漫游者的最后位置接近的位置的伪距校正并将其发送给该漫游者。该漫游者可以使用所述伪距校正来改进其当前位置估计。

在这个网络技术中，用于位置估计的所有误差与其各个特征无关地被聚合在一起作为残留，所述各个特征例如是多径中的近距相关性和电离层中的远距相关性。计算伪距校正是通过插入参考站的残差来完成的。

已经尝试从GPS测量中提取关于电离层的二维或甚至三维信息。参见日本GNSS 2003会议录中S.M.Radicella等人的“A Flexible 3D IonosphericModel for Satellite Navigation Applications”；和日本GNSS 2003会议录中F.Azpilicueta等人的“Optimized NeQuick Ionospheric Model for PointPositioning”。在Nequick 3D模型中，电离层的垂直结构在捕获电离层的主要特征的剖析功能方面被参数化。