专利名称：基于卫星的增强系统和基于卫星的增强方法
技术领域：
本发明涉及一种仅使用在来自GPS卫星的信号中的高可靠性GPS定位信号的基于卫星的增强系统和基于卫星的增强方法。
背景技术：
在诸如GPS (全球定位系统)等的全球定位系统中，基于伪距来测量接收站的位置，将该伪距定义为:在用户的GPS接收器处通过将诸如测距信号(L1C/A)的信号的传输时刻与信号在接收站(监控点)的接收时刻之间的差乘以光速而获得的值，该诸如测距信号的信号是来自GPS卫星的GPS定位信号。当由于测距信号的功率降低、时钟误差、由电离层所产生的误差、由对流层所产生的误差、由多径等所产生的噪声、GPS接收机自身的故障等，而使C/No (载波噪声功率密度t匕)减小时，伪距的精度降低。在伪距精度降低的情况下，用户错误地确定他/她自身的位置。因此，对于诸如飞机这样的高速移动的对象来说，基于低精度伪距的自身位置判断导致危险的信息。在这方面，在通常的全球定位系统中，为了将由于多径等所产生的噪声从所测量的伪距中除去，对该伪距进行平滑处理。然而，这样的实时平滑处理是简单的处理，所以不能认定为其精度高，于是可能残留一些噪声部分，并且因此，可能存在定位精度最终降低的情况。在这方面，日本专利申请特开号2005-249653公开了包括数据处理设备的伪距评价系统，当进行用于定位运算的实时平滑处理之后在伪距值中检测到异常值时，该数据处理设备判断在与异常值为正常值的监测时刻相同的监测时刻所测得的在后处理平滑处理之后的伪距值是否为正常值。如果发现尽管伪距是正常值，但是由于实时平滑处理该伪距被判断为异常值，则该数据处理设备判断异常值检测的原因是由于实时平滑处理的限制所产生的残留噪声。通过这种方式，能够识别伪距精度降低的原因。或者，国际公开号W02006-132003公开了一种GPS接收设备，包括:位置校正数据计算装置，其基于卫星信号来计算基站的位置，并且从而计算用于位置校正的数据，该数据指示所计算的位置与站的绝对位置的偏差；以及基站接收强度测量装置，其测量在基站处的卫星信号的接收强度。该基站将通过位置校正数据计算装置所计算的用于位置校正的数据和通过基站接收强度测量装置所测量的卫星信号的接收强度发送给移动站。该移动站将在通过基站接收强度测量装置所测量到的基站处的卫星信号接收强度与由自身所测量到的在移动站(本基站)处的卫星信号的接收强度进行比较。以此方式，使得能够识别受多径影响的卫星信号并且校正移动站的所测量的位置
发明内容
虽然如上所述基于低精度伪距的自身位置的判断可以导致危险的情况，但上述日本专利申请特开号2005-249653和国际公开号W02006-132002具有没有考虑作为伪距基础的、来自GPS卫星的测距信号自身的可靠性的问题。因此，尽管进行各种处理，但当基础信号的可靠性低时也不能正确地进行自身位置判断。在这个方面中，本发明的主要目的是提供一种基于卫星的增强系统和一种基于卫星的增强方法，通过仅利用给出高精度伪距的GPS信号进行位置计算，并利用装配有能够适当判断来自GPS卫星的接收信号的可靠性的信号监测程序的设备，关于诸如飞机的高速移动对象加强了 GPS卫星导航。解决问题的方案根据本发明的基于卫星的增强系统，其特征在于包括:阈值计算单元，该阈值计算单元计算监测阈值，该监测阈值用于判断在基于来自GPS卫星的信号测量伪距时的载波噪声功率密度比(C/No)的值是否适当；以及伪距判断单元，该伪距判断单元通过比较C/No值与所述监测阈值来判断所述伪距是否具有适当的精度。发明的有益效果根据本发明，由用户使用的GPS接收器变得能够适当判断来自GPS卫星的信号的可靠性，并且因此提高使用GPS卫星的自身位置判断的精度和可靠性。
图1是根据本发明的第一示例性实施例的基于卫星的增强系统的方框图。图2是示出根据第一示例性实施例的监测阈值的计算过程的流程图。图3是根据第一示例性实施例的被七段划分的C/No值的频率分布图表。图4是根据第一示例性实施例的被增加数量的段划分的C/No值的频率分布图表。图5是示出根据第一示例性实施例的C/No值的测量误差的频率分布图。参考标号列表2:基于卫星的增强系统10:基站11:接收天线12:接收器20:信息输出设备21:传输天线30:信号监测设备31:测量单元32:阈值计算单元33:伪距判断单元34:可靠性运算单元
具体实施例方式将在下面描述本发明的示例性实施例。图1是根据第一示例性实施例的基于卫星的增强系统2的方框图。基于卫星的增强系统2包括:基站10，其接收来自卫星4 (4a至4e)的信号；信号监测设备30，其基于来自基站10的信号测量测距信息，并且将测距信息的适当性的判断结果作为可靠性信息输出；以及信息输出设备20，其将来自信号监测设备30的可靠性信息输出到诸如飞机的测距信息利用装置6。这里测距信息包括:伪距、C/No (载波噪声功率密度比)值、该伪距和该C/No值的测量时刻等。该伪距是通过将来自定位卫星的诸如测距信号(L1C/A)的信号的传输时刻和在基站处的信号接收时刻之间的差乘以光速而获得的值。该C/No值是在获取伪距时的载波噪声功率密度比的值。基站10包括用于接收来自每个GPS卫星4的信号的接收天线11和接收器12。信号输出设备20包括:传输天线21，其将来自信号监测设备30的可靠性信息输出到诸如飞机的测距信息利用装置6。信号监测装置30包括:测量单元31、阈值计算单元32、伪距判断单元33和可靠性运算单元34。这里，测量单元31可以安装在基站10的接收器12中。测量单元31基于包括在由基站10所接收到的信号中的测距信号(L1C/A)在预定测量时间间隔处测量伪距值和C/No值。然后，将该伪距和该C/No值连同它们的测量时刻一起存储在图中为示出的存储单元中。可建议将0.5秒的值作为预定测量时间间隔的示例。阈值计算单元32基于由测量单元31所测得的C/No值来计算监测阈值，其在判断由测量单元31所测得的伪距值是否适当时使用。基于监测阈值，伪距判断单元33对于每个GPS卫星4判断伪距值是否适当。基于由伪距判断单元33所得到的判断结果，可靠性运算单元34运算可靠性信息。该可靠性信息连同伪距值一起作为监测信息被输出到信息输出设备2 O信息输出设备20包括:诸如VHF数据广播装置天线的传输天线21，其将来自信号监测设备30的监测信息输出到诸如飞机的测距信息利用装置6。由于以此方式，基于监测信息，诸如飞机的测距信息利用装置6变成能够仅根据GPS卫星4中被判断为适当的那些来判断自身位置等，所以能够使自身位置判断变得正确。因此，监测阈值是用于判断伪距的精度的重要值。图2是示出监测阈值的计算过程的流程图。由基于卫星的增强系统2输出的监测信息要求具有比预定的精度(此后，称为最小所期精度)更高的精度。当然，精度优选是尽可能高，但是为了达到更高的精度，需要使用贵的硬件等，并且各种数据处理的负荷变大。因此，在这里设定可接受的精度范围。因为监测信息基于C/No值而生成，所以限定对应于监测信息的精度范围的C/No值范围。该C/No值范围的上限表示为CN范围上限值CN_max，而下限表示为CN范围下限值CN_min。而且，下述情况的概率表示为漏检概率P_md:由于相对应的C/No值的测量误差比监测阈值小，所以不能判断伪距的适当性(漏检)。另外，下述情况的概率表示为虚警概率P_fa:尽管满足监测信息所需的精度，但由于在相对应的C/No值的测量误差比监测阈值�。沟梦本啾慌卸衔皇实�(虚警)。这些C/No值范围、漏检概率P_md和虚警概率P_fa由用户或系统构造者提前在阈值计算单元32中注册。在这样的设定下，测量单元31在预定间隔处经过预定时间周期从测距信号(LlC/A)测量伪距和C/No值。所测量的伪距和C/No值连同它们的测量时刻一起存储在图中未示出的存储单元。此后，在其期间内执行测量的上述预定时间周期表示为测量时间周期，并且时间间隔表示为采样时间。可以建议将0.1-1秒的时间作为采样时间的示例。例如，如果测量时间周期是3个月，采样时间是0.5秒，并且接收其信号的GPS卫星的数量是八个，则计算测量的数量大概为 1.24X 108 (=3[月]X30[日]X24[h] X3600[s] X (1/0.5[s]) X8[卫星])。在下一个步骤中，阈值计算单元32生成已存储的C/No值的频率分布图表(柱状图)(步骤S2)。此时，当例如频率分布图表的间隔是l[dB-Hz]并且C/No值M的值范围可以采用20[dB-Hz]-60[dB-Hz]时，结果是频率分布图表被划分成四十段。即，在该频率分布
图表中，段 I 变成 20[dB-Hz]〈M ( 21[dB-Hz]，段 2 变成 21[dB_Hz]〈M ( 22[dB_Hz]，......，
段 39 变成 58 [dB-Hz] <M ( 59 [dB-Hz]并且段 40 变成 59 [dB-Hz] <M ( 60 [dB-Hz]。图 3 示出被划分为七段的C/No值的频率分布图表的示例。关于诸如图3中所示的频率分布图表,如果C/No值比CN_min更小的频率由N_min来表示并且总频率由Nt来表示，则由P_CN_min表示的C/No值M比CN范围下限值CNjnin更小的概率(下限概率)根据等式(I)来计算。P_CN_min= (C/No值比CN_min更小的频率)/ (总频率)=N_min/Nt...(I) 这里，在等式(I)中，下限概率P_CN_min被认为是C/No值M比CNjnin小的频率的概率。然而，当C/No值的测量误差的估计的标准差值σ _cno与C/N值的测量范围(例如，大约20 [dB-Hz]-60 [dB-Hz])相比足够小时，能够通过增加段的数量来提高下限概率的精度，例如图4所示。在这种情况下，在等式(I)中的下限概率P_CN_min改变成等式(2)中的下限概率P_CN_min。P_CN_min= (C/No 值在 CN_min±3 σ _cno 范围内的频率)/ (总频率)...(2)这里，假定C/No值在CN_min±3 σ _cno范围内的频率与漏检或虚警有关，作为该范围的频率，能够采用图4中的从29.5 [dB-Hz] ( M<30.0[dB-Hz]到32.0 [dB-Hz] ^ M<32.5[dB-Hz]范围内的所有频率。C/No值的测量误差的估计的标准差值0_cno由下面的方法来获得。首先进行分组，其将在所测量的C/No值中的、在测量时间上彼此最近的两个C/No值放进一组(步骤S3)。例如，如果在某一时刻t的C/No值由CN(t)表示，则彼此最近的两个C/No值变成CN⑴和CN(t+At)。这里，At是采样时间。然后，CN(t)和CN(t+At)之间的差定义为估计的CN测量误差值ACN(t) = (CN(t)_CN(t+At))。该估计的CN测量误差值ACN(t)计算成采样点的数量，并且由ACN(t)值的分布来计算样本标准差。通过将该样本标准差除以20.5获得的值是C/No值的测量误差的估计的标准差值0_cno(步骤S4)。将样本标准差除以20.5的理由是:由于作为两个C/No值之间的差而获得了每个ACN(t)值，基于正态分布的加法性，将该样本标准差变换成对应于单个C/No值的标准差。接着，计算监测阈值(步骤S5)。图5是示出C/No值的测量误差的频率分布图。在图5中，频率分布的尾部以放大图而示出。在该图中，CNjnax表示CN范围上限值，CNjnin表示CN范围下限值，Th_cno表示监测阈值，P_md_cno表示漏检概率，以及P_fa_cno表示虚警概率。还在图5中，虚线Kl是表示进行预定衰减处理等以将在基站10处接收到的测距信号纳入到测量单元31的测量范围内的结果的线。即，对输入到测量单元31中的信号进行衰减处理，以便使得其比CN范围上限值小。另一方面，虚线K2表示测距信号的最低值。还在图5中，区域Ra表示C/No值位于CN范围上限值CNjnax和CN范围下限值CNjnin之间，并且满足所需的伪距的精度的区域。区域Rb表示C/No值比CN范围下限值CNjnin小但是不满足所需的伪距精度的区域。区域Re表示实际可能接收到的所有测距信号的C/No值的区域。区域Rd表示在实际可能接收到的所有测距信号的那些C/No值之中的C/No值比监测阈值Th_cno大，并且满足所需的伪距精度的区域。区域Re表示在实际可能接收到的所有测距信号的那些C/No值之中的C/No值比监测阈值Th_cno�。⑶也宦闼璧奈本嗑鹊那�。利用用于CN监测所需的虚警概率P_fa、漏检概率P_md和由等式(2)所计算的下限概率P_CN_min，来计算监测阈值Th以满足等式(3)至等式(5)。P_md_cno+P_fa_cno=P_CN_min…(3)P_md_cnoXP_CN_min < P_md...(4)P_fa_cnoXP_CN_min ^ P_fa...(5)例如，假设的是，从图4所示的C/No值的频率分布图表中，找到在范围CN_min±3o_cno中的频率是2X 102，并且总频率是1.24X 108。而且，假设的是漏检概率P_md被设定在I X 10_6并且虚警概率P_fa被设定在I X 10_4。然后，计算下限概率P_CN_min为P_CN_min=(2X102)/(l.24X 108)=1.6X 10_6。结果，能够将(4)和等式(5)分别改变成下面的等式(4’)和(5’)。P_md_cnoX 1.6Χ 1(Γ6 ≤ IX 1(Γ6...(4，)P_fa_cnoXl.6Χ1(Γ6 ≤ 1Χ1(Γ4...(5，)从这些等式(4’)和(5’)中分别找到漏检概率P_md_cno和虚警概率P_fa_cno的相应的范围，并且以使这些范围满足等式(3)的方式来计算监测阈值Th_cno。假定的是漏检概率P_md_cno=0.4，虚警概率P_fa_cno=0.1，并且下限概率P_CN_min=0.5。然后,在等式(3)中,P_md_cno+P_fa_cno=0.5。因此,在CN测量误差的估计的标准差值o_cno是0.5[dB-Hz]的正态分布中，对于该分布中，与更小的C/No值的区域相对应的漏检概率P_md_cno变成0.4的位置被调整成下限概率CN_min。此时，将CN测量误差的估计的标准差值是0.5 [dB-Hz]的正态分布的中心位置确定成为C/No值的阈值Th_cno。这样计算的监测阈值Th_cno输出到伪距判断单元33。伪距判断单元33进行C/No值和监测阈值Th_cno之间的幅值比较(步骤S6)。在来自多个GPS卫星4的各个测距信号基础上测量伪距值。因此，例如，如果C/No值比监测阈值Th_cno更小，则结果表示基于来自GPS卫星4中测量C/No值的一个的信号所获得的伪距不具有足够的精度。如果由伪距判断单元33所得到的判断结果是(C/No值)< (监测阈值Th_cno)，则处理进行到步骤S7，而如果(C/No值)≥(监测阈值Th_cno)，则处理进行到步骤S8。当处理继续进行到步骤S7时，可靠性运算单元34能算伪距的可靠性。如下面来计算可靠性。由测量单元31所测得的伪距表示信号监测设备30的位置。这种信号监测设备30位于其位置通过调查等提前限定的基站10等处。S卩，由测量单元31所测得的伪距表示基站10等的位置。因此，计算在基于伪距计算的信号监测设备30的位置和通过调查等提前已知的信号监测设备30的位置之间的差，并且该差被确定为可靠性。这种可靠性(位置误差)表示基于来自GPS卫星的信号所测得的伪距的误差，关于该GPS卫星，发现存在条件(C/No值X(监测阈值)。即，指出的是如果诸如飞机的测距信息利用装置6利用来自该GPS卫星的信号进行测距处理，则存在上述位置误差。可靠性运算单元34将可靠性和伪距作为监测信息输出到信息输出设备20 (步骤S8)。另一方面，在步骤S6中确定存在条件(C/No值)≥(监测阈值Th_cno)的情况下，只有伪距作为监测信息被输出到信息输出设备20 (步骤S8)。以这种方式，基于来自信息输出设备20的监测信息，诸如飞机的测距信息利用装置能够避免基于来自GPS卫星的低精度的测距信号来确定其自身位置。结果，诸如飞机的测距信息利用装置变得能够安全地导航。本申请坚持基于在2010年9月13日提交的日本专利申请号2010-204289的优先权，并且其全部内容公开于此。虽然上面已经参照示例性实施例(和示例)描述了本发明，但本发明并不局限于上述示例性实施例(和示例)。在本发明的保护范围内，可以对本发明的结构和细节进行本领域技术人员所能理解的各种改 变。
权利要求
1.一种基于卫星的增强系统，包括: 阈值计算单元，该阈值计算单元计算监测阈值，该监测阈值用于判断在当基于来自GPS卫星的信号测量伪距时的载波噪声功率密度比(C/No)的值是否适当；以及 伪距判断单元，该伪距判断单元通过比较所述C/No值与所述监测阈值来判断所述伪距是否具有适当的精度。
2.根据权利要求1所述的基于卫星的增强系统，还包括: 可靠性运算单元，当所述伪距判断单元确定所述C/No值小于所述监测阈值时，该可靠性计算单元计算并输出用于所述伪距的测量的、来自所述GPS卫星的所述信号的可靠性。
3.根据权利要求1或2所述的基于卫星的增强系统，其中， 所述阈值计算单元计算相对于多个测量的所述伪距的所述C/No值的频率分布，并且 当由于所述频率分布中所述C/No值的测量误差的标准差比所述监测阈值小而不能判断所述伪距的适当性的情形的概率被表示为漏检概率P_md_cno，并且尽管满足所述伪距的所需的精度，但由于所述频率分布中所述C/No值的测量误差的标准差比所述监测阈值小而将所述伪距判断为不适当的情形的概率被表示为虚警概率P_fa_cno时，所述阈值计算单元以下述方式计算所述监测阈值:使所述C/No值取比所述监测阈值更小的(频率)值的概率P_CN_min变成等于所述漏检概率P_md_cno与所述虚警概率P_fa_cno 二者的和。
4.根据权利要求3所述的基于卫星的增强系统，其中， 当所述C/No值的频率分布的总频率由Nt表示，并且在允许值范围内的所述C/No值小于所述监测阈值的频率由N_min表示时，将所述C/No值取比所述监测阈值更小的值的概率P_CN_min 给定为 P_CN_min=N_min/Nt。
5.根据权利要求3所述的基于卫星的增强系统，其中， 当所述C/No值的频率分布的总频率由Nt表示，相对于所述C/No值的测量误差的估计的标准差由σ _cno表示,并且在允许值范围内的所述C/No值之中在范围CN_min±3 σ _cno内的C/No值小于所述监测阈值的频率由N_min_cno表示时，将所述C/No值取比所述监测阈值更小的值的概率P_CN_min给定为P_CN_min=N_min_cno/Nt。
6.根据权利要求5所述的基于卫星的增强系统，其中， 基于在其测量时间彼此相邻的两个C/No值之间的差的标准差，来计算C/No值的测量误差的估计的标准差σ _cno。
7.根据权利要求2所述的基于卫星的增强系统，其中， 所述可靠性运算单元计算基于所述伪距所计算的该可靠性计算单元所属于的站的位置与提前测量的位置之间的差，作为所述可靠性。
8.一种基于卫星的增强方法，包括 阈值计算过程，该阈值计算过程计算监测阈值，该监测阈值用于判断在当基于来自GPS卫星的信号测量伪距时的载波噪声功率密度比(C/No)的值是否适当；以及 伪距判断过程，该伪距判断过程通过比较所述C/No值与所述监测阈值来判断所述伪距是否具有适当的精度。
9.根据权利要求8所述的基于卫星增强方法，还包括: 可靠性运算过程，当在所述伪距判断过程中所述C/No值被判断为小于所述监测阈值时，该可靠性计算过程计算并输出用于所述伪距的测量的、来自所述GPS卫星的所述信号的可靠性。
10.根据权利要求8或9所述的基于卫星的增强方法，其中， 所述阈值计算步骤还包括下述过程: 计算相对于多个测量的所述伪距的所述C/No值的频率分布，并且当由于所述频率分布中所述C/No值的测量误差的标准差比所述监测阈值小而不能判断所述伪距的适当性的情形的概率被表示为漏检概率P_md_cno，并且尽管满足所述伪距的所需的精度，但由于所述频率分布中所述C/No值的测量误差的标准差比所述监测阈值小而将所述伪距判断为不适当的情形的概率被表示为虚警概率P_fa_cno时，以下述方式计算所述监测阈值:使所述C/No值取比所述监测阈值更小的(频率)值的概率P_CN_min变成等于所述漏检概率P_md_cno与所述虚警概率P _fa_cno 二者的和。
全文摘要
本发明提供一种基于卫星的增强系统，包括阈值计算单元，该阈值计算单元计算监测阈值，该监测阈值用于判断在当基于来自GPS卫星的信号测量伪距时的载波噪声功率密度比(C/No)的值是否适当；以及伪距判断单元，该伪距判断单元通过比较所述C/No值与所述监测阈值来判断所述伪距是否具有适当的精度。
文档编号G01S19/15GK103168251SQ20118004384
公开日2013年6月19日 申请日期2011年8月26日 优先权日2010年9月13日
发明者岩崎隆一郎, 野崎豊 申请人:日本电气株式会社
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