专利名称：用于确定车辆的方位角的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于确定车辆的方位角(heading angle)的系统和方法。
背景技术：
全球定位系统(GPS)是基于空间的全球导航卫星系统。一般情况下，该系统在连续的基础上，在具有四个或更多个GPS卫星的无遮挡的视野中的地球上任何地方处或附近 向全世界用户提供可靠的定位和定时服务。使用两个天线的GPS系统可以被用来确定车辆的方位(heading)(例如,横摆)、侧倾(roll)和纵倾(pitch)。姿态(attitude)涉及车辆的方位、侧倾和纵倾。为了确定姿态，可以应用一些约束条件，诸如两个GPS天线之间的距离，或者被高度地约束的姿态信息，如用于地面导航、机械控制和引导的预期纵倾角和侧倾角的范围。此外，已知将距离约束条件引入到卡尔曼滤波程序。然而，这个距离约束条件要求线性化是准确的。由于两个GPS天线之间的距离通常是很短的，通常是在I米或大约I米，用于处理GPS测量数据以向最终位置或姿态评估提供中间计算值的设计矩阵不能从浮点解中精确地确定。因此，如果没有正确地考虑非线性度，卡尔曼滤波处理会发散。另一个问题是，在应用整周�：冉獬绦蛞院螅凳倍〉憬饪赡芪薹ê芎玫芈慊叱ざ仍际跫�。
发明内容
在一个实施例中，该系统具有与车辆相关的第一和第二天线。第一和第二天线被配置成接收包括全球定位系统数据的信号。接收器前端被配置为接收包括全球定位系统数据的信号。电子数据处理器能够从接收器前端接收全球定位系统数据。数据处理器被配置或编程以便执行用于确定车辆的可以包括车辆的方位角的姿态的方法。在一个示例中，由电子数据处理器执行的方法包括步骤测量与从第一天线和第二天线接收到的信号相关的载波的载波相位。处理器使用第一天线和第二天线之间的已知基线长度确定用于被测量的载波相位的�：冉饧月阍谑凳倍阉饕婺诘乃阉鞴讨械暮愣ǔざ群妥颂际跫�。额外地或代替地，处理器或误差减少滤波器使用第一天线和第二天线之间的已知基线长度作为在滤波器中的虚拟测量值，处理在与信号相关的�：冉饧械谋徊饬康脑夭ㄏ辔弧４砥髂芄皇褂盟龅谝恍藕藕偷诙藕诺穆瞬ê蟮脑夭ㄏ辔缓吐瞬ê蟮哪：冉饧兰频谝惶煜吆偷诙煜叩奈恢�。该处理器将能够根据第一天线和第二天线的估计位置确定车辆的方位角。
图I图示结合用于确定车辆的方位角的系统和方法的一个实施例的车辆；图2是用于确定图I的车辆的方位角的系统和方法的一个实施例的方框图；和图3是图示可以用于图2中图示的系统的GPS基准站的一个实施例的方框图。
具体实施例方式参考图1，显示一种车辆10，该车辆10结合用于确定车辆或连接到车辆10的工具的方位角的系统。此外，该系统可以结合在没有连接到该车辆上的工具上。在本实施例中，车辆10是反铲车辆，并且该工具包括前连接件(例如，铲斗)、后连接件或相关联的活动部件(例如，臂或悬臂)；然而，多个不同类型的车辆或工具中的任何一个可以利用用于确定车辆或工具的方位角的该系统。例如，车辆10或工具可以是汽车、拖拉机拖车、施工设备、 林业装置或农业装置。此外，车辆10或工具并不一定需要是陆基的，而是也可以是能够在空中或大海中行驶的车辆或工具，如飞机或船舶。车辆10包括第一天线12和第二天线14两者。第一和第二天线被配置成接收包括全球定位数据的信号。正如众所周知地，全球定位数据一般地由全球定位卫星系统产生，但是也可以由陆基系统增强。在本实施例中，第一天线12和第二天线14以纵向方式布置。换句话说，天线大致沿着车辆的长度定位。然而，应当理解，天线可以以横向方式定位，即沿着车辆10或工具的宽度定位，或以其他方式安装在车辆或工具上。此外，应当注意的是，第一天线12和第二天线14之间的长度L是已知的基线长度。一般来说，这种已知的基线长度是约I米加/减10%。然而，应理解的是，已知的基线长度可以是小于I米或者可以长度超过I米，取决于用于确定车辆10的方位角的系统的应用。参考图2，显示用于确定车辆10或工具的方位角的系统16。如在前面段落中描述，第一天线12和第二天线14之间具有已知的基线长度L。第一天线12和第二天线14通信和连接到接收器前端18。接收器前端18从第一天线12接收包括全球定位数据的第一信号，和从第二天线14接收包括全球定位数据的第二信号。系统16还包括计算机系统20，计算机系统20可以被称为接收器数据处理系统。计算机系统20包括解码器22、相位测量装置24、实时动态(“RTK”)引擎26和数据存储装置28。计算机系统20还包括数据接口 30。数据接口 30本质上是连接或支持接收器前端
18、解码器22、相位测量装置24、RTK引擎26和数据存储装置28彼此之间的通信的数据总线或共享电存储器。一般来说，数据接口 30是物理导体。然而，数据接口 30可以采取多种合适形式的任何一个，如无线接口。解码器22接收来自接收器前端18的第一和第二信号，并且解码这些信号，使得这些信号可以由相位测量装置24和实时动态引擎26处理。更具体地，解码器22解码被编码在第一信号和第二信号上的伪码(例如，粗捕获码、精确码或伪随机噪声码)以评估天线12和14中的每一个和能够发送第一和第二信号的相应的卫星之间的伪距。相位测量装置24测量与第一和第二信号相关的载波的载波相位。实时动态引擎26包括数据处理器32、误差-减少滤波器34和估计器36。数据处理器32使用已知的基线长度L确定用于测量的载波相位的�：冉饧月阍谒阉鞴讨械暮懔砍ざ群妥颂际跫Ｔ谝桓鍪凳├校荽砥�32或误差-减少滤波器34(例如，卡尔曼滤波器或其它预测滤波器)使用第一天线12和第二天线14之间的已知的基准长度作为误差-减少滤波器34中的虚拟测量值应用处理或滤波到所测量的、在与信号相关的�：冉饧械脑夭ㄏ辔唬渲性谖蟛�-减少滤波器34中的虚拟测量值的权重与位置方差成比例。例如，误差-减少滤波器34使用一阶泰勒级数展开应用滤波处理到所测量的、与所述第一信号和第二信号相关的载波相位和�：冉饧�。通过使用已知基准长度L作为在误差-减少滤波器34中的虚拟测量值进行此滤波处理，其中在误差-减少滤波器34中的虚拟测量值的权重与位置方差成比例。 估计器36使用第一和第二信号的滤波后的载波相位和滤波后的�：冉饧兰频谝惶煜�12和第二天线14的位置。根据第一天线12和第二天线14的估计位置，数据处理器32可以确定车辆或其工具的方位角(或姿态角)。数据处理器32可以进一步被配置为根据在载波相位和伪距两者已被测量以后的浮点解的精度修改虚拟测量值的方差。另外，处理器32可以被配置为在施加误差-减少滤波(例如，卡尔曼滤波)到第一和第二信号的所测量的载波相位和伪距之前应用双差分方程到第一和第二信号的所测量的载波相位和伪距。术语“双差分”是指已经由卫星之间和基站之间的差分形成的可观察量。例如，双差分方程基于相对于来自两个不同卫星的卫星信号减去在GPS系统16处和在基准站(例如，图3中的基准站44或基准站54)处测量的两个单个差分载波相位测量值。双差分方程被应用到载波相位测量值，以消除或改善接收器的时钟偏差(例如，通过载波相位测量值之间的第一差值)和卫星时钟偏差(例如，载波相位测量值之间的第二差值)的有害影响。为了调查非线性误差对虚拟测量值的精度的影响，如在下面的段落中描述的那样，线性化的误差范围由处理器32确定。当然，处理器32可以是单独的处理器或可以包括任何下列项目一个或多个微处理器、一个或多个微控制器、一个或多个数据处理器、一个或多个数字化应用专用处理器(ASIC的)、一个或多个可编程逻辑阵列(PLA的)或其它半导体或电子数据处理装置、能够执行处理器可执行代码的电路或�？椤＜偕鐻O是已知的基准线的长度，sigmaffA5是固定基线长度(通常是亚厘米)的先验精度。假设(4 )是游动位置的当前最佳估计(这些是状态向量X. Y的代表其余状态的第一个三态，包括�：�、残差电离层和对流层状态)。还假设4ef Λ ')
是已知的参考位置的坐标。然后预拟合残差被表示为Ζ，设计矩阵被认为是H，测量值协方差被表示为R。虚拟测量值由公式(1)-(3)给出Z = L0,where L =亦f -xf J + (x2° — xf f + (x° — xf f(1)
广——0 : -( -Ι0)+4^,χ ,Λ-,0) ΗΧ-Ζ \、 L· L·L·J
UJ(2)(3)
其中X = ( δ Χι δ X2 δ X3 Y) 。是基线矢量的先验位置精度，并且/(Z^)是需要反映线性误差的简单膨胀函数(其取决于基线长度及其精度)。假设Ltl是已知基准线长度，s igma^^是固定基线长度的先验精度(通常是亚厘米)。假设(4, 是游动位置的当前最佳估计(这些是状态向量X. Y的代表其余状
态的第一个三态，，包括�：浴⒉胁畹缋氩愫投粤鞑阕刺�)。还假设(V 4e/t tf)是已知的参考位置的坐标。然后预拟合残差被表示为Z，设计矩阵被认为是H，测量值协方差被表示为R。虚拟测量值由公式(1)-(3)给出
权利要求
1.一种用于确定车辆或连接到车辆的工具的方位角的系统，所述系统包括 与车辆相关联的第一天线，所述第一天线被配置为接收包括全球定位系统数据的第一信号; 与车辆相关联的第二天线，所述第二天线被配置为接收包括全球定位系统数据的第二信号; 接收器前端，用于接收第一信号和第二信号； 电子数据处理器，能够接收来自接收器前端的全球位置数据，所述数据处理器被配置或编程为 测量与第一信号和第二信号相关的载波的载波相位； 使用第一天线和第二天线之间的已知基线长度，确定用于被测量的载波相位的�：冉饧月阍谑凳倍阉饕婺诘乃阉鞴讨械暮愣ǔざ群妥颂际跫� 使用第一天线和第二天线之间的已知基线长度作为在误差减少滤波器中的虚拟测量值，应用误差减少滤波器到与第一信号和第二信号相关的被测量的载波相位和�：冉饧�; 使用第一信号和第二信号的滤波后的载波相位和滤波后的�：冉饧兰频谝惶煜吆偷诙煜叩奈恢茫� 根据第一天线和第二天线的估计位置，确定车辆或车辆的工具的方位角。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，在误差-减少滤波器中的虚拟测量值的加权值与位置方差成比例。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，误差减少滤波器包括卡尔曼滤波器并且使用一阶泰勒级数展开。
4.根据权利要求I所述的系统，其中，处理器被进一步配置为在载波相位和伪距两者已经被测量之后，基于浮点解的精度修改虚拟测量值的方差。
5.根据权利要求I所述的系统，其中，第一天线和第二天线沿着车辆的纵向轴线被连接到车辆。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，处理器被进一步配置为确定方位角(α)和精度(σ α)为
7.根据权利要求5所述的系统，其中，处理器被进一步配置为确定纵倾角(φ)为
8.根据权利要求5所述的系统，其中，处理器被进一步配置在基线长度小于一定的阈值长度时应用膨胀函数以膨胀精度，以反映用于基线长度的虚拟基线测量值的线性误差。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述一定的阈值长度是约I米。
10.根据权利要求I所述的系统，其中，第一天线和第二天线沿着车辆的横向轴线连接到车辆。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理器进一步被配置为确定方位角(α)和精度(σ α)为
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述处理器进一步被配置为确定纵倾角(φ)为
13.根据权利要求11所述的系统，其中，处理器进一步配置成在基线长度小于一定的阈值长度时应用膨胀函数以膨胀精度，以反映用于基线长度的虚拟基线测量值的线性误差。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述一定的阈值长度是约I米。
15.根据权利要求I所述的系统，其中，所述处理器被配置为在应用误差减少滤波器到第一信号和第二信号的被测量的载波相位和伪距之前应用双差分方程到第一信号和第二信号的被测量的载波相位和伪距。
16.根据权利要求I所述的系统，还包括解码器，该解码器用于解码被编码在第一信号和第二信号上的伪码，以估计在能够发送所述第一和第二信号的每个天线和相应的卫星的之间的伪距。
17.根据权利要求I所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过应用模糊度搜索过程确定预定数量的�：群蜓〖�。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述预定数量的模糊度候选集在约30个至40个之间。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，处理器被配置为使用下列公式计算用于每个�：群蜓〖墓潭ń�(Xfx) Xfix — Xfloat+AX (Nfioat_Nfix)。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，用于所属预定数量的�：群蜓〖慕宦愕脑际跫� 已知的基线长度约束条件加上预期公差； 已知的基线姿态约束条件加上预期公差；对应于浮点�：�(Nf)的浮点3D基线估计(Xfltjat)； 通过使用调整矩阵A (3x (Nf))计算的固定解(Xfix)。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，处理器被配置成在预定数量的�：群蜓〖忻挥谢蛑挥幸桓龊蜓∧：燃闼鲈际跫辈惶峁┕潭ń�(Xfix)。
22.根据权利要求16所述的系统，其中，处理器被配置为存储所述预定数量的�：群蜓〖�
23.一种用于确定用于车辆的方位角的方法，所述方法包括下述步骤 测量与第一信号和第二信号相关的载波的载波相位，第一信号和第二信号分别地由与接收器前端相关的第一天线和第二天线接收； 使用在第一天线和第二天线之间的已知的基线长度，确定用于被测量的载波相位的模糊度解集，以满足在实时动态搜索引擎内的搜索过程中的恒定长度和姿态约束条件； 应用滤波处理到与第一信号和第二信号相关的被测量的载波相位和�：冉饧雎瞬ù硎褂玫谝惶煜吆偷诙煜咧涞囊阎幕叱ざ茸魑槟獠饬恐担� 使用所述第一信号和第二信号的滤波后的载波相位和滤波后的模糊度解集，估计第一天线和第二天线的位置；以及 根据第一天线和第二天线的估计位置，确定车辆或车辆的工具的方位角。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，虚拟测量值的加权值与位置方差成比例。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，应用滤波处理的步骤包括通过卡尔曼滤波器应用使用一阶泰勒级数展开的滤波处理。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括以下步骤在载波相位和伪距两者已经被测量之后，基于浮点解的精度修改虚拟测量值的方差。
全文摘要
本发明公开一种用于确定车辆的方位角的系统和方法，该车辆包括与车辆相连的第一和第二天线(12，14)。第一和第二天线(12，14)被配置成可以接收包括全球定位系统数据的信号。接收器前端(18)被配置为接收包括全球定位系统数据的信号。电子数据处理器(32)能够从接收器前端(18)接收全球定位系统数据。数据处理器(32)被配置或编程以便执行用于确定车辆的可以包括车辆的方位角的姿态的方法。
文档编号G01S19/53GK102918416SQ201180020837
公开日2013年2月6日 申请日期2011年3月25日 优先权日2010年4月28日
发明者戴立文, 邵云峰, 丹尼尔·J·艾斯林格 申请人:纳夫科姆技术公司
专业数控铣床产品供应商
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