專利名稱：在位置網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供輔助數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于在移動(dòng)設(shè)備中產(chǎn)生位置確定的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明尤其應(yīng)用于在該移動(dòng)設(shè)備被應(yīng)用于幫助捕獲和跟蹤信號(hào)以用于后續(xù)位置確定時(shí)，該移動(dòng)設(shè)備內(nèi)的時(shí)間和頻率確定。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中容易理解精確的到達(dá)時(shí)間位置確定依賴于所使用的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘的精度。在其最基本的形式中，置于已知位置并通過三個(gè)等長(zhǎng)電纜連接到一個(gè)公共時(shí)鐘的三個(gè)發(fā)射機(jī)信標(biāo)將滿足到達(dá)時(shí)間定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)。然而，由于需要得到精確定時(shí)的電纜在信標(biāo)之間的潛在遠(yuǎn)距離之上分布高頻定時(shí)信號(hào)，生產(chǎn)和安裝這種基本定位系統(tǒng)是非常不切實(shí)際的。作為選擇，具有很低的漂移率的精確原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)可以被安裝于每個(gè)發(fā)射機(jī)信標(biāo)，并使用一個(gè)置于已知位置并連接到一個(gè)參考時(shí)基的參考接收機(jī)來監(jiān)控。響應(yīng)于從發(fā)射機(jī)信標(biāo)所接收到的定位信號(hào)，通過一個(gè)RF數(shù)據(jù)鏈，時(shí)鐘校正被從參考接收機(jī)發(fā)送到每個(gè)信標(biāo)，用于向用戶設(shè)備的后續(xù)轉(zhuǎn)播。諸如GPS的現(xiàn)代衛(wèi)星定位技術(shù)采用這種技術(shù)，其中銫和銣時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)被安裝在每個(gè)GPS衛(wèi)星中，同時(shí)，GPS地面控制部門連續(xù)不斷地監(jiān)控所有GPS衛(wèi)星，并每24小時(shí)向每顆衛(wèi)星向上傳輸時(shí)鐘校正。于是，這些校正通過每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航消息被轉(zhuǎn)播到GPS用戶設(shè)備，這樣，GPS用戶設(shè)備內(nèi)的定位算法能夠解決衛(wèi)星時(shí)鐘誤差。具有至少4顆GPS衛(wèi)星可視，在GPS用戶設(shè)備使用一種被稱作常規(guī)的碼基GPS位置解決方案的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維定位。這種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)通常也被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為“單點(diǎn)位置”。
常規(guī)的碼基GPS位置解決方案(單點(diǎn)位置)
在常規(guī)的碼基GPS中，靠近地球的任一點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和高度能夠從來自至少4顆可視的GPS衛(wèi)星的定位信號(hào)的傳播時(shí)間計(jì)算出來。一個(gè)GPS接收機(jī)基于內(nèi)部產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼(PRN)序列和所接收到的來自每顆GPS衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼序列的相關(guān)性進(jìn)行距離計(jì)算。所測(cè)得的距離被稱作偽距，因?yàn)樵谛l(wèi)星上的時(shí)鐘和GPS接收機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘之間存在時(shí)間差或者偏移。有必要確保接收機(jī)的時(shí)鐘和衛(wèi)星星座的時(shí)鐘同步，以便精確測(cè)量在衛(wèi)星偽隨機(jī)碼序列的傳輸和通過一個(gè)GPS接收機(jī)接收該偽隨機(jī)碼序列之間的耗用時(shí)間。導(dǎo)航消息也從每顆衛(wèi)星進(jìn)行傳輸，其包括時(shí)間信息、衛(wèi)星軌道信息和衛(wèi)星時(shí)鐘校正項(xiàng)。對(duì)于三維定位，一個(gè)GPS接收機(jī)需要4顆衛(wèi)星信號(hào)以求解四個(gè)未知量，即位置(x，y，z)和時(shí)間(t)。對(duì)于二維定位(2-D)，高度是固定的，需要三個(gè)衛(wèi)星信號(hào)求解三個(gè)未知量，即位置(x和y)和時(shí)間(t)。常規(guī)的碼基GPS位置解決方案能夠使一個(gè)至少4顆衛(wèi)星可視的GPS接收機(jī)具備確定一個(gè)具有大約10到20米精度的絕對(duì)三維(3-D)位置的能力。
這種常規(guī)的碼基GPS位置解決方案是一種自主的解決方案，沒有來自參考接收機(jī)的微分校正數(shù)據(jù)就能夠確定位置、速度和時(shí)間(PVT)。因此，它在本領(lǐng)域中被稱作“單點(diǎn)位置”解決方案。
常規(guī)的碼基微分GPS(相對(duì)定位)利用一個(gè)所建立的精確原子時(shí)基，GPS星座僅能夠向一個(gè)GPS接收機(jī)提供約為10到20米的絕對(duì)三維位置精度。這是因?yàn)槎ㄎ恍盘?hào)來自六個(gè)主要誤差源的毀壞(1)電離層延遲，(2)對(duì)流層延遲，(3)星歷誤差，(4)衛(wèi)星時(shí)鐘誤差，(5)GPS接收機(jī)噪聲，以及(6)多徑。電離層延遲是由電磁波穿過在電離層中的電離粒子帶時(shí)所經(jīng)歷的變化的時(shí)間延遲。對(duì)流層延遲是由電磁波穿過較低大氣中的濕氣時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間延遲。星歷誤差是實(shí)際衛(wèi)星位置和由衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)所預(yù)報(bào)的位置之間的差。接收機(jī)噪聲是由GPS接收機(jī)的內(nèi)部電子器件所產(chǎn)生的噪聲。多徑是由極接近GPS接收機(jī)的局部信號(hào)反射所引起的信號(hào)延遲。這些誤差源的大部分在相對(duì)短的距離(即，幾十公里)上是空間相關(guān)的。這意味著相互鄰近的兩個(gè)不同的GPS接收機(jī)將觀察到相同的誤差。因此，使用一種被稱作“微分校正”的方法改善空間相關(guān)的誤差源是可能的。置于一個(gè)眾所周知位置上的一個(gè)參考接收機(jī)對(duì)于它所探測(cè)的每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算一個(gè)假定的偽距。它接著測(cè)量從GPS衛(wèi)星所接收到的偽距，并從所接收到的偽距中減去假定的偽距，形成對(duì)每顆可視衛(wèi)星的微分距離校正。參考接收機(jī)于是通過一個(gè)RF數(shù)據(jù)鏈將這些校正當(dāng)作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到GPS接收機(jī)。接下來，GPS接收機(jī)在計(jì)算一個(gè)位置解之前將這些校正加到它所測(cè)量的偽距(對(duì)于參考接收機(jī)的同一顆可視衛(wèi)星)上。參考接收機(jī)和GPS接收機(jī)的公共的誤差可完全由這個(gè)步驟去除。諸如多徑和接收機(jī)噪聲的不相關(guān)的誤差源留在偽距中，繼而降低位置精度。在低多徑環(huán)境中，利用碼基微分GPS校正，可以獲得幾米范圍內(nèi)的位置精度。
常規(guī)的基于載波的微分GPS(相對(duì)定位)常規(guī)的基于載波的微分GPS(CDGPS)使用在參考接收機(jī)和用戶接收機(jī)所測(cè)得的衛(wèi)星的載波相位之差計(jì)算參考位置和用戶位置之間的差。一個(gè)置于一個(gè)眾所周知位置的CDGPS參考接收機(jī)對(duì)所有可視的衛(wèi)星計(jì)算同時(shí)的載波相位測(cè)量，然后，通過一個(gè)RF數(shù)據(jù)鏈將載波相位數(shù)據(jù)廣播到用戶接收機(jī)。用戶接收機(jī)還對(duì)所有可視的衛(wèi)星計(jì)算同時(shí)的相位測(cè)量，然后，計(jì)算一個(gè)相位差以確定用戶接收機(jī)相對(duì)于參考接收機(jī)位置的位置。載波相位測(cè)量是基于來自GPS衛(wèi)星的載波頻率上出現(xiàn)的多普勒頻移的連續(xù)周(cycle)的計(jì)數(shù)。每個(gè)初相，這個(gè)連續(xù)周計(jì)數(shù)(從前一初相的值加上在當(dāng)前初相中相位上的前進(jìn))可從接收機(jī)獲得。更明確講，在一個(gè)初相期間的相位上的前進(jìn)是通過綜合在該初相間隔內(nèi)的載波多普勒偏移確定的，因此，命名為綜合載波相位(ICP)。
用戶接收機(jī)能夠測(cè)量部分相位加上該載波的任意個(gè)完整周，但是不能直接確定在偽距中確切的完整周數(shù)目。這個(gè)數(shù)目，被稱為“整數(shù)周模糊度”，必須由其他方法確定。用于解算載波相位整數(shù)模糊度的傳統(tǒng)策略分為三大類搜索法，過濾法和幾何法。這些傳統(tǒng)的方法不能產(chǎn)生瞬時(shí)的整數(shù)周模糊度解。一種被稱作“寬-通道收縮(laning)”的方法已被發(fā)展用于解決這個(gè)非瞬時(shí)整數(shù)周模糊度問題。寬通道收縮相乘并濾波兩個(gè)載波頻率(傳統(tǒng)為GPS L1和L2頻率)以形成一個(gè)拍頻信號(hào)。這個(gè)拍頻波長(zhǎng)大大長(zhǎng)于兩個(gè)單獨(dú)載波的波長(zhǎng)。因而，整數(shù)解能夠通過使用偽距觀測(cè)得到，以確定由該拍頻信號(hào)所形成的更寬的“通道(lane)”的整數(shù)模糊度。這些整數(shù)解大大降低了用于解算整數(shù)模糊度所必須搜索的整數(shù)量。
對(duì)于CDGPS方法，主要的約束首先是RF數(shù)據(jù)鏈的完整性和等待時(shí)間，其次，是在用戶接收機(jī)處缺乏時(shí)間確定。RF數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)帶寬約束微分?jǐn)?shù)據(jù)更新速度，導(dǎo)致數(shù)據(jù)等待時(shí)間并降低位置精度。由物理障礙和多徑引起的微分?jǐn)?shù)據(jù)的不良接收導(dǎo)致數(shù)據(jù)毀壞，這降低位置精度最多，并且以最壞程度導(dǎo)致地整個(gè)鏈路故障和沒有位置更新。CDGPS的第二個(gè)不足是缺少時(shí)間確定。一種常規(guī)的單點(diǎn)位置解決方案解出四個(gè)未知量，即位置(x，y，z)和時(shí)間(t)。CDGPS使用被稱為“二重微分”的處理，其能消除參考接收機(jī)和用戶接收機(jī)的接收機(jī)時(shí)鐘項(xiàng)。因此，用戶接收機(jī)能夠確定相對(duì)于參考接收機(jī)位置的準(zhǔn)確位置，但是不能確定時(shí)間。如果用戶只是關(guān)注位置，這是不重要的。然而，準(zhǔn)確知道一個(gè)精確的系統(tǒng)時(shí)基對(duì)于包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和電信系統(tǒng)的許多用戶應(yīng)用是非常有益的，缺乏時(shí)間確定是有關(guān)CDGPS現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的主要問題。
偽衛(wèi)星(pseudolite)增強(qiáng)另一種用于幫助GPS位置確定的方法是使用如偽衛(wèi)星的基于地面的增強(qiáng)系統(tǒng)。偽衛(wèi)星能夠被引入常規(guī)的基于碼和載波的微分GPS系統(tǒng)，而不需要任何附加的基礎(chǔ)設(shè)施。它們能夠被用作附加的測(cè)距信號(hào)，也被用作RF數(shù)據(jù)鏈以將微分校正發(fā)送到用戶設(shè)備。作為選擇，偽衛(wèi)星能夠同步于GPS時(shí)基。一個(gè)GPS接收機(jī)從使用至少4顆GPS衛(wèi)星的一種常規(guī)的碼基GPS解決方案中確定GPS時(shí)間，并將所確定的時(shí)間傳送到一個(gè)共址的偽衛(wèi)星發(fā)射機(jī)。該GPS時(shí)基的精度受GPS誤差源的約束，包括電離層和對(duì)流層延遲，衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、衛(wèi)星位置誤差、接收機(jī)噪聲和多徑。約為50到100納秒的時(shí)間精度可通過使用GPS時(shí)基方法獲得。然而，這僅轉(zhuǎn)換為在幾十米范圍內(nèi)的位置精度。這種精度對(duì)于精確導(dǎo)航系統(tǒng)來說是太過于粗略了。
使用“全向標(biāo)記”偽衛(wèi)星的基于載波的微分GPS科恩(Cohen)的標(biāo)題為“用于產(chǎn)生精確的基于碼和載波相位位置確定的系統(tǒng)和方法”的美國專利號(hào)5,583,513描述了一種微分校正方法，由此，一種所謂的“全向標(biāo)記”偽衛(wèi)星作為一個(gè)向一個(gè)定位接收機(jī)轉(zhuǎn)播信息的信道以進(jìn)行微分測(cè)距校正(第6欄，第43～46行)。該“全向標(biāo)記”偽衛(wèi)星能夠被表述為一種比喻性的鏡子，由此，GPS衛(wèi)星信號(hào)從已知的全向標(biāo)記偽衛(wèi)星位置被同相“反射”到位置接收機(jī)。因此，發(fā)出的載波和每個(gè)信標(biāo)標(biāo)記信號(hào)的PRN碼部分對(duì)于在GPS信號(hào)中的他們的輸入對(duì)應(yīng)部分確切是相位相干的(專欄6，行28～32)。處于一個(gè)高飛的飛行器中的一個(gè)位置接收機(jī)從GPS衛(wèi)星接收定位信號(hào)，還從全向標(biāo)記偽衛(wèi)星接收“反射的”GPS定位信號(hào)，隨后計(jì)算微分距離測(cè)量。
科恩的微分方法不必需要常規(guī)的基于碼和載波的微分系統(tǒng)所需要的一種傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈。然而，全向標(biāo)記位置接收機(jī)依然必須接收GPS衛(wèi)星和全向標(biāo)記信號(hào)以計(jì)算一個(gè)微分距離測(cè)量。單接收全向標(biāo)記信號(hào)將不會(huì)允許計(jì)算位置。同樣，全向標(biāo)記必須產(chǎn)生并向每個(gè)可視的GPS衛(wèi)星傳輸單獨(dú)的載波和PRN部分，這使全向標(biāo)記復(fù)雜且昂貴。當(dāng)前，這將會(huì)需要多達(dá)12個(gè)從單個(gè)全向標(biāo)記的單獨(dú)傳輸。此外，一個(gè)全向標(biāo)記位置接收機(jī)需要常規(guī)的微分GPS接收機(jī)的接收信道的兩倍，這增加了成本和復(fù)雜性。
使用“地面收發(fā)信機(jī)”偽衛(wèi)星的微分測(cè)距
Sheynblat的標(biāo)題為“地面收發(fā)信機(jī)網(wǎng)絡(luò)”的美國專利第6,121,928號(hào)描述了一種微分校正方法，借此，所謂的“地面發(fā)射機(jī)”和“地面收發(fā)信機(jī)”偽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用作信道，用于中繼信息到用于對(duì)用戶位置進(jìn)行微分確定的位置接收機(jī)(第5欄，第31到36行)。Sheynblat教導(dǎo)了使用微分校正來克服主時(shí)鐘偏置(第5欄，第23到36行)和由地面收發(fā)信機(jī)硬件引入的線路偏置(第5欄，第38到67行和第6欄，第1到23行)。Sheynblat的微分方法和實(shí)施例包括(i)區(qū)別地面收發(fā)信機(jī)信號(hào)與地面發(fā)射機(jī)信號(hào)的用戶接收機(jī)(第5欄，第31到36行，和權(quán)利要求2)，(ii)區(qū)別多個(gè)主地面發(fā)射機(jī)信號(hào)與地面收發(fā)信機(jī)的用戶接收機(jī)(第6欄，第25到67行，和第7欄，第1到33行)，以及(iii)區(qū)別地面收發(fā)信機(jī)信號(hào)的用戶接收機(jī)，該地面收發(fā)信機(jī)信號(hào)包含了已經(jīng)與衛(wèi)星信號(hào)區(qū)別的信號(hào)(第7欄，第34到67行，和第8欄，第1到34行)。Sheynblat的專利教導(dǎo)了微分方法的進(jìn)展，但沒有教導(dǎo)、展示或建議一種非常期盼的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將在流動(dòng)位置接收機(jī)從地面收發(fā)信機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生單點(diǎn)位置解。
幫助捕獲衛(wèi)星信號(hào)大部分注意力已經(jīng)集中在為移動(dòng)裝置提供位置能力。在許多這些移動(dòng)裝置中，衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如GPS，被用作主位置傳感器。相對(duì)于大部分陸地產(chǎn)生的信號(hào)而言，衛(wèi)星系統(tǒng)受到無力和難以捕獲信號(hào)之苦。為了縮短從衛(wèi)星系統(tǒng)獲得位置解所需的時(shí)間，已經(jīng)致力于為衛(wèi)星接收機(jī)提供輔助或幫助技術(shù)，以慮及更快速的捕獲，由此更快速的位置求解。當(dāng)位置接收機(jī)具備清晰的視場(chǎng)(view of the sky)時(shí)，這些幫助技術(shù)縮短了獲得位置解所需的時(shí)間，而且還降低了功耗。當(dāng)位置接收機(jī)不具備清晰的視場(chǎng)時(shí)，這些幫助技術(shù)在由于信號(hào)弱而在其他情況下不可能完成時(shí)能夠提供位置求解。
衛(wèi)星定位信號(hào)檢測(cè)需要搜索時(shí)間和頻率空間來發(fā)現(xiàn)信號(hào)。通常，要順序搜索一組時(shí)間和頻率接收器，直到信號(hào)電平被確定為高于檢測(cè)閾值。位置接收機(jī)的電子噪聲底值，結(jié)合接收機(jī)在每個(gè)時(shí)間/頻率接收器中能夠停留的時(shí)間量，確定接收機(jī)的靈敏度。雖然較長(zhǎng)的停留時(shí)間將準(zhǔn)許檢測(cè)較弱信號(hào)，但它們?cè)黾恿烁采w時(shí)間/頻率接收器所需的搜索時(shí)間，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的接收器搜索要花更長(zhǎng)的時(shí)間。減緩搜索時(shí)間增加的一種方法是并行地搜索多個(gè)時(shí)間和頻率接收器。其中一種并行處理技術(shù)在Abraham的2004年3月9日申請(qǐng)的美國專利No.6,704,348中描述。雖然并行技術(shù)允許更長(zhǎng)的停留時(shí)間，但許多衛(wèi)星信號(hào)接收條件需要幫助以有效地搜索時(shí)間/頻率空間。
為了從衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算位置接收機(jī)位置，必須知道衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的位置。需要衛(wèi)星位置來實(shí)現(xiàn)基于來自每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的距離(或偽距離)測(cè)量的位置計(jì)算。在傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)操作中，衛(wèi)星位置信息是從以每秒50比特的速率廣播的導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲得的。這種導(dǎo)航數(shù)據(jù)被解調(diào)以獲取衛(wèi)星位置信息。然而，導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特的恢復(fù)對(duì)接收機(jī)的最小靈敏度增加了限制。接收機(jī)必須具有足夠的靈敏度來解調(diào)這些數(shù)據(jù)比特。一般而言，當(dāng)搜索弱信號(hào)時(shí)，停留時(shí)間受到衛(wèi)星信號(hào)時(shí)間和頻率位置中的預(yù)期變化以及位置接收機(jī)時(shí)鐘的穩(wěn)定性的限制。Abraham的2004年3月9日申請(qǐng)的美國專利No.6,704,348以及其他專利提供了多秒停留時(shí)間，從而使得靈敏度完全在傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)工作范圍之下。然而，對(duì)于導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特而言，比特變化以每20毫秒一次的速率發(fā)生。因此，信號(hào)必須足夠強(qiáng)以使接收機(jī)能夠在兩個(gè)相鄰的20毫秒周期之間區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)比特變化。在GPS系統(tǒng)中，導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特變化由接收信號(hào)中的基本上180度相移指示。這就限制了導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特恢復(fù)的最大停留時(shí)間為20毫秒，而且強(qiáng)加了最小信噪比(SNR)以確保可接受的比特差錯(cuò)率(BER)。顯然，位置接收機(jī)的靈敏度將受限制，要求相對(duì)于以基本上較長(zhǎng)的停留時(shí)間獲得的靈敏度解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特。為了減小這種限制，幫助技術(shù)被實(shí)施，其為位置接收機(jī)提供導(dǎo)航數(shù)據(jù)或等效信息。LaMance等人的申請(qǐng)日為2003年4月1日的美國專利No.6,542,820舉例說明了這種技術(shù)。
弱信號(hào)引起的主要問題包括a)來自接收機(jī)的較長(zhǎng)停留時(shí)間，由此加長(zhǎng)了找到信號(hào)的搜索時(shí)間，超出了接收機(jī)的容限，b)無法解碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特，以及c)信號(hào)太弱以至于無法被接收機(jī)檢測(cè)到。雖然對(duì)于只是太弱而無法被檢測(cè)到的信號(hào)還沒有對(duì)策，Krasner的申請(qǐng)人為2000年10月17日的美國專利No.6,133,874是現(xiàn)有技術(shù)的示例，其教導(dǎo)了一種幫助捕獲弱衛(wèi)星信號(hào)的方法。在該專利中描述的方法包括用于位置接收機(jī)的時(shí)間、頻率和導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特幫助信息，使得位置接收機(jī)具有較小的搜索時(shí)間和頻率搜索空間，由此不必從發(fā)射的信號(hào)中解碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特。所述的幫助技術(shù)需要使用通信網(wǎng)絡(luò)，例如移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，來提供時(shí)間、頻率和導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特幫助。
現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)需要使用通信網(wǎng)絡(luò)來為位置接收機(jī)提供時(shí)間、頻率和導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特幫助。雖然導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特幫助對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)是自然合適之選，為基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)提供時(shí)間和頻率幫助超出了通信網(wǎng)絡(luò)的范圍，因此需要添加附加組件到通信網(wǎng)絡(luò)中以實(shí)現(xiàn)這種功能。另外，許多導(dǎo)航應(yīng)用需要位置接收機(jī)來確定位置但不需要通信信道。因此，添加通信發(fā)射機(jī)和接收機(jī)到位置接收機(jī)中不是所希望的。能夠?yàn)榛谛l(wèi)星的定位系統(tǒng)提供幫助信息而不用添加通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)是高度期盼的。還高度期盼提供幫助信息的系統(tǒng)還提供能夠被位置接收機(jī)使用的另外的測(cè)距信號(hào)。此外，還高度期盼提供作為基于衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)的補(bǔ)充的定位能力，使得系統(tǒng)在有和沒有基于衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)的情況下都能工作。本發(fā)明通過按時(shí)序同步收發(fā)信機(jī)系統(tǒng)(下文稱作定位單元裝置)實(shí)現(xiàn)這些所期盼的目標(biāo)，下面將對(duì)此進(jìn)行說明。每個(gè)定位單元裝置提供獨(dú)特的測(cè)距信號(hào)，以及用于基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)的幫助信息，而不需要求附加的通信信道或網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是確定在一個(gè)定位單元裝置，至少一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的到達(dá)時(shí)間，并為該同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作的位置接收機(jī)提供該到達(dá)時(shí)間，以幫助位置接收機(jī)捕獲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是確定在一個(gè)定位單元裝置，至少一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)頻率的到達(dá)頻率，并為該同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作的位置接收機(jī)提供該到達(dá)頻率，以幫助位置接收機(jī)捕獲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是給位置接收機(jī)提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)時(shí)間和同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間之間的時(shí)間偏移。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是給位置接收機(jī)提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)頻率和同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)頻率之間的頻率偏移。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是給在同步定位單元裝置的自主網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作的位置接收機(jī)提供全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星軌道信息。
本發(fā)明的上述目的由一個(gè)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括一個(gè)在關(guān)于一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)已知位置的定位單元裝置，該定位系統(tǒng)從關(guān)于一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)已知位置的參考發(fā)射機(jī)接收一個(gè)或多個(gè)參考定位信號(hào)。參考發(fā)射機(jī)包括其他定位單元裝置，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)衛(wèi)星，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)衛(wèi)星，偽衛(wèi)星，或包含定時(shí)信息的任何其他信號(hào)。每一個(gè)所接收的參考定位信號(hào)優(yōu)選具有一個(gè)載波部分，一個(gè)偽隨機(jī)碼部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置，響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)和它們的已知位置，產(chǎn)生一個(gè)唯一定位信號(hào)。該唯一的定位信號(hào)具有一個(gè)按時(shí)序同步于所接收的定位信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)載波部分的載波部分，一個(gè)按時(shí)序同步于所接收的定位信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)偽隨機(jī)碼部分的偽隨機(jī)碼部分，和一個(gè)按時(shí)序同步于所接收的定位信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)部分。一旦一個(gè)定位單元裝置按時(shí)序同步于一個(gè)參考發(fā)射機(jī)，進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)的其它定位單元裝置能夠使用它的唯一發(fā)射的定位信號(hào)作為參考定位信號(hào)。按時(shí)序同步的定位單元裝置的地理分布產(chǎn)生一個(gè)定位信號(hào)的時(shí)間相干網(wǎng)絡(luò)。由此，本發(fā)明的方法允許一種在相當(dāng)大范圍的地理區(qū)域內(nèi)傳播一個(gè)極精確的時(shí)基的獨(dú)特能力。
該系統(tǒng)還包括至少一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)。該流動(dòng)位置接收機(jī)通過對(duì)每一個(gè)所接收的按時(shí)序同步的偽隨機(jī)碼部分進(jìn)行偽距測(cè)量能夠進(jìn)行基于碼的單點(diǎn)位置確定，并且一旦載波整數(shù)周模糊度被解算出，它通過對(duì)每一個(gè)所接收的按時(shí)序同步的載波部分進(jìn)行偽距測(cè)量能夠進(jìn)行基于載波的單點(diǎn)位置確定。一個(gè)按時(shí)序同步的定位系統(tǒng)的形成允許流動(dòng)位置接收機(jī)有能力自主計(jì)算基于碼和精確載波的單點(diǎn)定位的解，而不需要微分校正。而且，在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不需要絕對(duì)的時(shí)間精度(在現(xiàn)有技術(shù)通常由原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)獲得)。
上面所述的方法，其中定位單元裝置按時(shí)序同步于至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)，將在下文被稱作“時(shí)間同步”。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向多個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)和確定一個(gè)自主單點(diǎn)位置解的一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向一個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向多個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含通過一個(gè)中間定位單元裝置進(jìn)行廣播的一個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向一個(gè)定位單元裝置廣播的多個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向四個(gè)定位單元裝置廣播的一個(gè)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)參考發(fā)射機(jī)。這些定位單元裝置隨后將他們自己唯一的按時(shí)序同步的定位信號(hào)傳輸給置于衛(wèi)星盲區(qū)中的一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含向其他三個(gè)定位單元裝置廣播的一個(gè)定位單元裝置參考發(fā)射機(jī)。這些定位單元裝置隨后將他們自己唯一的按時(shí)序同步的定位信號(hào)傳輸給一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例的圖示，包含兩個(gè)自主定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)和位于這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邊界的流動(dòng)位置接收機(jī)。邊界定位單元裝置隨后向該流動(dòng)位置接收機(jī)傳輸網(wǎng)絡(luò)間的校正。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的定位單元裝置硬件的框圖。
具體實(shí)施例方式
綜述定位單元裝置是一種專用的無線電收發(fā)機(jī)，位于一個(gè)已知的位置并從至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)接收至少一個(gè)參考定位信號(hào)。優(yōu)選地，參考發(fā)射機(jī)是另一種的定位單元裝置，或一顆WAAS衛(wèi)星。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)，定位單元裝置將內(nèi)部產(chǎn)生的定位信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)時(shí)基，并將它的唯一定位信號(hào)傳送到所有其它可視的位置接收機(jī)。形成一個(gè)自主位置網(wǎng)絡(luò)最少需要至少兩個(gè)按時(shí)序同步于一個(gè)參考發(fā)射機(jī)的定位單元裝置。在這個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)里的所有傳輸信號(hào)的一個(gè)可視的流動(dòng)位置接收機(jī)有能力確定自主碼和載波單點(diǎn)位置解，而不需要微分校正。此外，參考發(fā)射機(jī)振蕩器不需要現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)所需要的原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的固有穩(wěn)定性，由此，允許一個(gè)廉價(jià)的晶體振蕩器被用作對(duì)于整個(gè)位置網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)參考時(shí)基。
因此，如下詳述，一個(gè)定位單元裝置可能作為一個(gè)比喻性的“頻道”用于將按時(shí)序同步的定位信號(hào)分發(fā)到一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)。這允許該流動(dòng)位置接收機(jī)計(jì)算基于碼和載波的單點(diǎn)位置確定，而不需要定位單元裝置之間的物理連接，不需要原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)或GNSS時(shí)基，以及不需要微分校正。
系統(tǒng)和方法圖1示出使用基于碼和載波的單點(diǎn)位置計(jì)算產(chǎn)生精確位置確定的一種定位系統(tǒng)的一個(gè)配置。多個(gè)定位單元裝置101-1和101-2位于對(duì)于一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)的已知位置，分別接收由至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)103廣播的至少一個(gè)參考定位信號(hào)102，該參考發(fā)射機(jī)也位于對(duì)于一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)的已知位置。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)102，定位單元裝置101-1和101-2發(fā)射一個(gè)或多個(gè)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)103的唯一定位信號(hào)104-1和104-2。一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)105，位于裝置101-1、101-2和103的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，接收來自參考發(fā)射機(jī)103的參考定位信號(hào)和來自定位單元裝置101-1和101-2的唯一定位信號(hào)104-1和104-2，并從按時(shí)序同步的定位信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)中自主計(jì)算基于碼和載波的單點(diǎn)位置確定。
時(shí)間同步時(shí)間同步定位單元裝置同步于一個(gè)能夠具有任意值和任意變量的公共時(shí)序時(shí)基。因此，任何如晶體振蕩器的簡(jiǎn)單、廉價(jià)的時(shí)鐘源將能夠滿足作為在參考發(fā)射機(jī)中的參考時(shí)鐘。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)或更好的晶體振蕩器。一個(gè)定位單元裝置首先獲得一個(gè)參考發(fā)射機(jī)定位信號(hào)，并從已知的參考發(fā)射機(jī)坐標(biāo)和已知的定位單元裝置的坐標(biāo)計(jì)算所謂的穿越時(shí)間偏移。穿越時(shí)間偏移考慮由參考定位信號(hào)從參考發(fā)射機(jī)到定位單元裝置傳輸所經(jīng)歷的傳輸時(shí)間延遲。在自由空間中，電磁波每3納秒傳輸約1米。接著，定位單元裝置將穿越時(shí)間偏移應(yīng)用到一個(gè)內(nèi)部所產(chǎn)生的定位信號(hào)，并將這個(gè)定位信號(hào)對(duì)齊輸入的參考定位信號(hào)，因此，使內(nèi)部所產(chǎn)生的定位信號(hào)與參考發(fā)射機(jī)時(shí)序?qū)?zhǔn)。明確講，當(dāng)一個(gè)定位單元裝置的內(nèi)部所產(chǎn)生的定位信號(hào)具有與輸入的參考定位信號(hào)頻率相干，與參考發(fā)射機(jī)時(shí)基時(shí)序相干時(shí)，同步得以實(shí)現(xiàn)。
一個(gè)參考定位信號(hào)從一個(gè)參考發(fā)射機(jī)通過射頻(RF)載波進(jìn)行傳輸。該參考定位信號(hào)能夠從任何有效的時(shí)間源中產(chǎn)生，時(shí)間源可以包括定位單元裝置、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)衛(wèi)星、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)衛(wèi)星，偽衛(wèi)星，或任意有效源的組合?，F(xiàn)在參考圖2，位于從一個(gè)參考發(fā)射機(jī)202的已知距離的定位單元裝置201接收由參考發(fā)射機(jī)202傳輸?shù)膮⒖级ㄎ恍盘?hào)203。參考定位信號(hào)203具有一個(gè)載波部分、一個(gè)唯一偽隨機(jī)碼部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置201包含一個(gè)位置接收機(jī)204和一個(gè)同位發(fā)射機(jī)205。位置接收機(jī)204能夠接收來自所有可視的參考定位信號(hào)的定位信號(hào)，也可以接收來自它的同位發(fā)射機(jī)205的定位信號(hào)。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)203，定位單元裝置201從它的發(fā)射機(jī)205發(fā)射一個(gè)所謂的從定位信號(hào)206，該從定位信號(hào)由定位單元裝置位置接收機(jī)204接收。從定位信號(hào)206具有一個(gè)載波部分、一個(gè)唯一偽隨機(jī)碼部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置位置接收機(jī)204接收并同時(shí)抽樣來自參考發(fā)射機(jī)202的參考定位信號(hào)203和來自同位發(fā)射機(jī)205的從定位信號(hào)206。那么，在所接收的參考定位信號(hào)203和所接收的從定位信號(hào)206之間的傳輸時(shí)間差得到計(jì)算。傳輸時(shí)間差，如用于優(yōu)選實(shí)施例的，由以下確定(a)比較從參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206的載波部分所確定的綜合載波相位(ICP)測(cè)量以確定一個(gè)載波頻率差。
(b)解調(diào)并比較從參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206的導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分以確定一個(gè)粗略的傳輸時(shí)間差。
(c)比較從參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206的偽隨機(jī)碼部分所確定的偽距測(cè)量以確定一個(gè)碼偽距差。
(d)比較從參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206的載波部分所確定的瞬時(shí)載波相位測(cè)量以確定一個(gè)載波相位差。
為使從定位信號(hào)206與參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基精確時(shí)間同步，必須計(jì)算參考發(fā)射機(jī)天線207和定位單元裝置接收機(jī)天線208之間的信號(hào)傳播延遲。從參考發(fā)射機(jī)天線207到定位單元裝置接收機(jī)天線208的以米為單位的已知地理距離209能夠通過公式穿越時(shí)間＝距離/光速被轉(zhuǎn)換為信號(hào)穿越時(shí)間。定位單元裝置201包含一個(gè)受控的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210，該發(fā)射機(jī)時(shí)鐘能夠由定位單元裝置CPU 211進(jìn)行頻率上的調(diào)整。受控的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210由定位單元裝置CPU 211從參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206之間的時(shí)差得到確定，該時(shí)間差由位置接收機(jī)204測(cè)得，由參考定位信號(hào)穿越時(shí)間209抵消。這使從定位信號(hào)206時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基。
所接收的參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206之間微分過程消除定位單元裝置位置接收機(jī)時(shí)鐘項(xiàng)，由此允許定位單元裝置201跟隨參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基，而沒有本地定位單元裝置振蕩器所引起的任何時(shí)鐘偏差。此外，相同位置接收機(jī)204的兩個(gè)信道之間的微分消除由位置接收機(jī)電子器件引起的任何接收機(jī)線路偏差或組延遲。
定位單元裝置的控制狀態(tài)在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置使用以下控制狀態(tài)時(shí)間同步于參考發(fā)射機(jī)狀態(tài)0復(fù)位復(fù)位所有硬件。
狀態(tài)1獲得參考信號(hào)定位單元裝置CPU 211通過定位單元裝置位置接收機(jī)204開始搜索一個(gè)參考定位信號(hào)203。
狀態(tài)2鎖定到參考信號(hào)定位單元裝置位置接收機(jī)204獲得一個(gè)參考定位信號(hào)203，參考發(fā)射機(jī)202位置和時(shí)間由定位單元裝置CPU 211從它的導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分解調(diào)出。
狀態(tài)3同步從信號(hào)定位單元裝置CPU 211進(jìn)行等待以慮及與參考定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分的粗略時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。然后，一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器由CPU 211進(jìn)行初始化。
狀態(tài)4初始化從信號(hào)定位單元裝置CPU 211為這個(gè)特殊的定位單元裝置201確定一個(gè)合適的、唯一的PRN碼序列，并將這個(gè)PRN碼序列分配給定位單元裝置發(fā)射機(jī)205。對(duì)于參考定位信號(hào)203，當(dāng)前的頻率偏移(相對(duì)于定位單元裝置振蕩器212)也被定位單元裝置CPU 211分配給定位單元裝置受控的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210。這用于將定位單元裝置發(fā)射機(jī)205初始化為一個(gè)近似于與參考定位信號(hào)203的頻率相同的頻率。定位單元裝置CPU 211也將所確定的PRN碼序列分配給定位單元裝置位置接收機(jī)204中的一個(gè)空閑接收機(jī)信道。該接收機(jī)信道被初始化為具有與定位單元裝置發(fā)射機(jī)205一樣的頻率偏移和隨機(jī)碼相位值，以便有助于定位單元裝置位置接收機(jī)204獲得從定位信號(hào)206。然后，定位單元裝置初始化從定位信號(hào)206的傳輸。
狀態(tài)5獲得從信號(hào)定位單元裝置位置接收機(jī)204初始化對(duì)從定位信號(hào)206的搜索。
狀態(tài)6鎖定到從信號(hào)定位單元裝置位置接收機(jī)204獲得從定位信號(hào)206，并從它的導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分解調(diào)出粗略的從時(shí)間。
狀態(tài)7參考/從頻率同步對(duì)于參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206的同時(shí)綜合載波相位(ICP)測(cè)量由定位單元裝置位置接收機(jī)204進(jìn)行初始化(設(shè)為0)和微分。這個(gè)所微分的值代表參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206之間的頻率和相位的差。在定位單元裝置CPU 211內(nèi)的控制環(huán)對(duì)定位單元裝置受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210進(jìn)行連續(xù)校正以保持參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206之間的0ICP差，因而保持頻率同步。
作為選擇，所接收的參考定位信號(hào)頻率偏移值，如由定位單元裝置位置接收機(jī)204測(cè)得的，能夠被直接反饋到定位單元裝置受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210，以產(chǎn)生一個(gè)所謂的“頻率跟蹤系統(tǒng)”(FTS)。受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210消除輸入的參考定位信號(hào)203的頻率偏移，因而保持頻率同步。這種方法需要定位單元裝置振蕩器212在位置接收機(jī)204和發(fā)射機(jī)205之間是公共的。
狀態(tài)8參考/從碼同步一旦獲得狀態(tài)7的參考/從頻率同步，參考定位信號(hào)203和從定位信號(hào)206之間的時(shí)間差能夠被準(zhǔn)確測(cè)得，并且任何時(shí)間偏差得到消除。當(dāng)定位單元裝置受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210被轉(zhuǎn)動(dòng)到必需的時(shí)間數(shù)量以使參考和從定位信號(hào)進(jìn)入PRN碼隊(duì)列中時(shí)，參考/從碼同步得到完成。穿越時(shí)間值209被用于抵消所測(cè)得的參考-從時(shí)間差以消除參考信號(hào)傳播延遲的影響，然后，所算出的時(shí)間差被用作定位單元裝置受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210的一個(gè)時(shí)鐘校正。時(shí)鐘校正是通過采用頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS)和對(duì)于一個(gè)預(yù)定的時(shí)間周期將一個(gè)附加的頻率偏移應(yīng)用于受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210而獲得。這個(gè)附加的頻率偏移允許從定位信號(hào)206及時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)直到它與參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基時(shí)間相干。一旦這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)得到完成，控制環(huán)得到重新采用。作為選擇，碼同步能夠通過在保持頻率同步的同時(shí)將定位單元裝置發(fā)射機(jī)205PRN碼產(chǎn)生器轉(zhuǎn)動(dòng)到必需的碼相位數(shù)量(芯片)而得到完成。
碼同步是基于具有固有噪聲的PRN碼準(zhǔn)確度，在優(yōu)選實(shí)施例中，固定的定位單元裝置將PRN碼噪聲過濾到一個(gè)子載波周級(jí)別上。
狀態(tài)9參考/從相位同步一旦獲得狀態(tài)7的參考/從頻率同步和狀態(tài)8的參考/從碼同步，依然存在必須進(jìn)行校正的兩種時(shí)間誤差(1)180度相位模糊度，以及(2)穿越時(shí)間相位偏移。
(1)校正180度相位模糊度使用一個(gè)專門的鎖相環(huán)，在本領(lǐng)域眾所周知的“科斯塔斯(Costas)環(huán)”，從一個(gè)PRN碼定位信號(hào)中解調(diào)出數(shù)據(jù)。科斯塔斯環(huán)技術(shù)固有包含一個(gè)180度相位模糊度，因此能夠獲得和跟蹤具有半周模糊度的定位信號(hào)。這個(gè)半周模糊度代表在2.4GHz處的近似200皮秒的時(shí)間偏移。科斯塔斯環(huán)模糊度能夠通過參考一個(gè)預(yù)定的數(shù)據(jù)位序列得到解算，該序列通常被稱為前綴，由位置網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的發(fā)射機(jī)在導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分進(jìn)行傳輸。當(dāng)科斯塔斯環(huán)模糊度得到解算，一個(gè)在頻率同步的參考和從定位信號(hào)的位置接收機(jī)相位寄存器之間的任意固定相位微分顯然可以得到。這個(gè)任意相位偏移歸因于從定位信號(hào)的任意相位，并在下面接下來的步驟(2)中得到校準(zhǔn)。
(2)校正穿越時(shí)間相位偏移一個(gè)部分周的穿越時(shí)間相位偏移目前歸因于參考發(fā)射機(jī)天線207和定位單元裝置天線208之間的參考定位信號(hào)傳輸延遲。在參考發(fā)射機(jī)和定位單元裝置之間的地理距離209能夠表示為一個(gè)整載波周(整數(shù)部分)213加上一個(gè)部分載波周(分?jǐn)?shù)部分)214的數(shù)字。穿越時(shí)間相位偏移是從參考發(fā)射機(jī)天線207和定位單元裝置天線208之間的已知地理距離中所算出的部分周數(shù)量214。整數(shù)部分213是在上面所述的狀態(tài)8的參考/從碼同步控制狀態(tài)中得到校正。然而，分?jǐn)?shù)部分214太細(xì)微了而不能在狀態(tài)8的參考/從碼同步狀態(tài)中得到校正，因此必須作為載波相位校準(zhǔn)進(jìn)行校正。頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS)得到采用，并且定位單元裝置受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘210以必需的部分周數(shù)量(從在上面步驟(1)中所確定的它當(dāng)前所測(cè)得的任意相位值)被時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)最近確定的穿越時(shí)間相位值。然后，時(shí)間同步環(huán)(TLL)得到采用。從定位單元裝置天線208發(fā)出的定位單元裝置載波相位從定位信號(hào)206現(xiàn)在按時(shí)序同步于從參考發(fā)射機(jī)天線207發(fā)出的參考發(fā)射機(jī)202載波相位定位信號(hào)。
狀態(tài)10參考/從都鎖定一旦所有的上面狀態(tài)得到實(shí)現(xiàn)，CPU 211聲明時(shí)間同步，定位單元裝置201開始發(fā)射它現(xiàn)在的全同步的唯一定位信號(hào)215。該定位單元裝置的唯一定位信號(hào)215現(xiàn)在以皮秒的精度按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)202，這個(gè)能力基本超出了任何現(xiàn)有技術(shù)的能力。
唯一定位信號(hào)在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)定位單元裝置發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)，包括一個(gè)載波部分，一個(gè)偽隨機(jī)碼部分和一個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分。載波相位部分是優(yōu)選在2.4GHz ISM波段中傳輸?shù)恼疑漕l波，盡管本發(fā)明的方法同樣可應(yīng)用于其它頻段。偽隨機(jī)數(shù)(PRN)碼部分在載波部分上得到調(diào)制，并由一個(gè)唯一碼序列組成，該碼序列能夠區(qū)別與由其它裝置以相同載波頻率所傳輸?shù)钠渌麄坞S機(jī)碼序列。這種技術(shù)被認(rèn)為是碼分多址(CDMA)，并在本領(lǐng)域中眾所周知。導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分是在偽隨機(jī)碼部分調(diào)制的特有信息，并提供一條通信鏈路以向定位單元裝置和流動(dòng)位置接收機(jī)傳送導(dǎo)航信息。導(dǎo)航信息可以包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，定位單元裝置位置，比喻性的“參考時(shí)鐘系”信息，以及其他所期望的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
時(shí)間同步配置時(shí)間同步可以在許多不同的配置中得到實(shí)現(xiàn)。這些配置包括1.向單個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
2.向多個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
3.通過中間定位單元裝置廣播的一個(gè)或多個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
4.向一個(gè)或多個(gè)定位單元裝置廣播的多個(gè)參考發(fā)射機(jī)。
5.點(diǎn)位置時(shí)間同步。
向單個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)單個(gè)參考發(fā)射機(jī)能夠被用于向單個(gè)定位單元裝置廣播一個(gè)參考定位信號(hào)。圖2示出位于一個(gè)已知位置的一個(gè)定位單元裝置201和也位于一個(gè)已知位置的一個(gè)參考發(fā)射機(jī)202。定位單元裝置201接收由參考發(fā)射機(jī)202所發(fā)射的參考定位信號(hào)203和由定位單元裝置發(fā)射機(jī)205所發(fā)射的從定位信號(hào)206。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)203，定位單元裝置201確定參考定位信號(hào)傳輸延遲209，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射機(jī)時(shí)鐘校正以將它的內(nèi)部產(chǎn)生的從定位信號(hào)206的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)定位信號(hào)203的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置接下來發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)215，該信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基。
兩個(gè)定位信號(hào)不足以確定在一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)中的一個(gè)位置解。然而，如果參考發(fā)射機(jī)是一個(gè)WAAS衛(wèi)星，時(shí)間同步定位單元裝置信號(hào)將以皮秒級(jí)同步于GPS時(shí)間，因此，對(duì)于一個(gè)常規(guī)的基于碼的GPS求解能夠被一個(gè)位置接收機(jī)用作一個(gè)附加的精確測(cè)距源。
向多個(gè)定位單元裝置廣播的單個(gè)參考發(fā)射機(jī)當(dāng)多個(gè)定位單元裝置處于參考發(fā)射機(jī)的清晰的可視范圍內(nèi)時(shí)，單個(gè)參考發(fā)射機(jī)能夠被用于形成一個(gè)定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)。
圖3示出位于已知位置301-1和301-2的多個(gè)定位單元裝置和也位于一個(gè)已知位置的一個(gè)參考發(fā)射機(jī)302。定位單元裝置301-1和301-2接收由參考發(fā)射機(jī)302所發(fā)射的參考定位信號(hào)303。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)303，每個(gè)定位單元裝置301-1和301-2確定它各自的從參考發(fā)射機(jī)302的信號(hào)傳輸延遲304-1和304-2，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射機(jī)時(shí)鐘校正以將它的內(nèi)部產(chǎn)生的定位信號(hào)的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)定位信號(hào)303的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。每個(gè)定位單元裝置接下來發(fā)射唯一定位信號(hào)305-1和305-2，這些唯一定位信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)302時(shí)基。
通過中間定位單元裝置廣播的一個(gè)或多個(gè)參考發(fā)射機(jī)一個(gè)或多個(gè)時(shí)間同步參考發(fā)射機(jī)能夠被用于形成一個(gè)定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)，而沒有所有的定位單元裝置處于一個(gè)參考發(fā)射機(jī)的清晰的可視范圍內(nèi)。在這種配置中，定時(shí)信號(hào)通過中間定位單元裝置得到級(jí)聯(lián)。當(dāng)一個(gè)中間定位單元裝置聲明時(shí)間同步時(shí)，接下來的定位單元裝置能夠?qū)⑦@個(gè)中間定位單元裝置用作它們的參考定位信號(hào)。
圖4示出位于一個(gè)已知位置的一個(gè)參考發(fā)射機(jī)401和也位于一個(gè)已知位置的第一定位單元裝置402。第一定位單元裝置402接收由參考發(fā)射機(jī)401所發(fā)射的參考定位信號(hào)403。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)403，第一定位單元裝置402確定從參考發(fā)射機(jī)401的信號(hào)傳輸延遲404，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射機(jī)時(shí)鐘校正以將它的內(nèi)部產(chǎn)生的定位信號(hào)的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)定位信號(hào)403的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置接下來發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)405，該唯一定位信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)401時(shí)基。
第二定位單元裝置406，位于一個(gè)已知位置，但由于建筑物409所導(dǎo)致的信號(hào)障礙而不在參考定位信號(hào)410的可視范圍內(nèi)，接下來接收來自第一定位單元裝置402的定位信號(hào)405。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)405，第二定位單元裝置406確定從第一定位單元裝置402的信號(hào)傳輸延遲407，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射機(jī)時(shí)鐘校正以將它的內(nèi)部產(chǎn)生的定位信號(hào)的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分按時(shí)序同步于第一定位單元裝置定位信號(hào)405的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。第二定位單元裝置406接下來發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)408，該信號(hào)包括載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。這個(gè)唯一定位信號(hào)408按時(shí)序同步于第一定位單元裝置402，也按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)401時(shí)基。
向一個(gè)或多個(gè)定位單元裝置廣播的多個(gè)參考發(fā)射機(jī)多個(gè)時(shí)間同步參考發(fā)射機(jī)能夠被用于向一個(gè)或多個(gè)定位單元裝置廣播參考定位信號(hào)。在這種配置中，如多徑和對(duì)流層延遲的任何參考信號(hào)誤差源能夠在參考發(fā)射機(jī)中得到均分以改善時(shí)基精度。
圖5示出位于已知位置的一個(gè)定位單元裝置501和也位于一個(gè)已知位置、具有共同時(shí)基的多個(gè)參考發(fā)射機(jī)502-1和502-2。定位單元裝置501接收由參考發(fā)射機(jī)502-1和502-2所發(fā)射的參考定位信號(hào)503-1和503-2。響應(yīng)于所接收的參考定位信號(hào)503-1和503-2，定位單元裝置501確定從每個(gè)參考發(fā)射機(jī)502-1和502-2的信號(hào)傳輸延遲504-1和504-2，并應(yīng)用一個(gè)適當(dāng)?shù)陌l(fā)射機(jī)時(shí)鐘校正以將它的內(nèi)部產(chǎn)生的定位信號(hào)的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分按時(shí)序同步于兩個(gè)參考發(fā)射機(jī)定位信號(hào)503-1和503-2的載波部分，唯一PRN碼部分和數(shù)據(jù)部分。定位單元裝置501接下來發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)505，該唯一定位信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)502-1和502-2的時(shí)基。
點(diǎn)位置時(shí)間同步一個(gè)定位單元裝置沒有參考發(fā)射機(jī)和已知的定位單元裝置之間的地理距離(參考定位信號(hào)傳輸延遲)也能夠同步于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基。對(duì)于這個(gè)時(shí)間同步實(shí)施例，至少四顆時(shí)間同步定位單元裝置必須可視。需要進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置通過計(jì)算單個(gè)點(diǎn)位置自己測(cè)量它的三維位置，這個(gè)單點(diǎn)位置包含定位單元裝置位置接收機(jī)的時(shí)鐘偏移。定位單元裝置位置接收機(jī)的時(shí)鐘偏移精確提供網(wǎng)絡(luò)時(shí)間(相對(duì)于局部位置接收機(jī)時(shí)鐘)，該時(shí)間能夠被定位單元裝置從發(fā)射機(jī)用作一個(gè)精確的網(wǎng)絡(luò)時(shí)基。在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置使用單個(gè)點(diǎn)載波解以將精確的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間確定到皮秒級(jí)，這一能力基本超出現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的能力。
WAAS參考在優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)參考發(fā)射機(jī)是一顆廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)衛(wèi)星。WAAS衛(wèi)星是同步通信衛(wèi)星，該衛(wèi)星向GPS接收機(jī)傳輸GPS微分校正。WAAS衛(wèi)星也在1575.42MHz的GPS L1載波頻率上發(fā)射一個(gè)唯一定位信號(hào)。這個(gè)唯一定位信號(hào)利用向UTC提供的校正精確同步于GPS時(shí)間。因此，一顆WAAS衛(wèi)星成為一個(gè)理想的參考發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)同步于世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基UTC。
在優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)定位單元裝置包含用于接收來自2.4GHzISM波段中的其它定位單元裝置的定位信號(hào)，也接收來自L波段頻率中的WAAS和GNSS衛(wèi)星的定位信號(hào)的裝置。一個(gè)定位單元裝置可以將一個(gè)WAAS衛(wèi)星用作一個(gè)參考發(fā)射機(jī)，并將它的2.4GHz的從定位信號(hào)時(shí)間同步于1575.42MHz的WAAS定位信號(hào)。不同的載波頻率之間的時(shí)間同步通過將輸入的WAAS和定位單元裝置載波相干下變頻為定位單元裝置位置接收機(jī)中的一個(gè)公共基帶頻率得到初始化。然后，用前面所述的方法進(jìn)行時(shí)間同步。相干下變頻需要定位單元裝置接收機(jī)中的局部振蕩器從一個(gè)公共振蕩器驅(qū)動(dòng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，公共振蕩器驅(qū)動(dòng)為一個(gè)定位單元裝置的所有部分產(chǎn)生時(shí)鐘信息，這些部分包括位置接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和中央處理器。由于WAAS的不同接收路徑和下變頻之前的定位單元裝置載波頻率，當(dāng)計(jì)算相互的頻率時(shí)間同步時(shí)，考慮線路偏差和群延遲。
現(xiàn)在參考圖6，定位單元裝置601-1、601-2、601-3和601-4位于具有可以看到天空的清晰視野的已知位置，并優(yōu)選位于如山頂602-1和602-2和/或高建筑物頂603-1和603-2的高架位置。如果需要，一個(gè)定向的接收天線604-1、604-2、604-3和604-4也可以與每個(gè)定位單元裝置601-1、601-2、601-3和601-4進(jìn)行合并，并指向一個(gè)同步WAAS衛(wèi)星605(盡管這些附加的天線對(duì)于這種方法是優(yōu)選的但不是根本的)。配置在定位單元裝置的定向天線有助于減輕多徑，并改善所接收的WAAS信號(hào)的信噪比，這接著改善參考時(shí)基精度。每個(gè)定位單元裝置601-1、601-2、601-3和601-4時(shí)間同步于WAAS衛(wèi)星信號(hào)606，因此產(chǎn)生具有皮秒精度的精確UTC同步網(wǎng)絡(luò)。由一個(gè)行人608所持的一個(gè)位置接收機(jī)607位于一個(gè)建筑物609內(nèi)。WAAS衛(wèi)星信號(hào)606不能穿透建筑物609，因?yàn)樗男盘?hào)功率低。然而，來自定位單元裝置601-1、601-2、601-3和601-4的定位單元裝置信號(hào)601-1、601-2、601-3和601-4能夠穿透建筑物609，因?yàn)樗鼈兙o密相鄰。位置接收機(jī)607能夠接收來自全部四個(gè)定位單元裝置的定位單元裝置定位信號(hào)，這允許在衛(wèi)星盲區(qū)中的單點(diǎn)位置確定。另外，一旦位置接收機(jī)607計(jì)算出一個(gè)位置解，UTC能夠得到準(zhǔn)確確定。因此，本發(fā)明也提供在衛(wèi)星盲區(qū)中的精確UTC時(shí)間變換。而且，當(dāng)位置接收機(jī)607從建筑物609出來時(shí)，來自任意定位單元裝置601-1、601-2、601-3和601-4、可視的WAAS衛(wèi)星605或GNSS衛(wèi)星的信號(hào)能夠被用于形成一個(gè)由多種因素確定的位置解，增加了所計(jì)算的行人位置的位置完整性。
中間的WAAS參考位于WAAS衛(wèi)星的清晰視野內(nèi)的定位單元裝置也可以用作在另一個(gè)實(shí)施例中的中間參考信號(hào)。不能接收WAAS衛(wèi)星信號(hào)的定位單元裝置可以使用中間的“中樞”定位單元裝置作為它們的時(shí)間參考源。因此，UTC可以遍及網(wǎng)絡(luò)分布，而所有定位單元裝置不必處于參考WAAS衛(wèi)星的清晰視野內(nèi)。
定位單元裝置參考在一顆WAAS衛(wèi)星不可獲得的情況下，可優(yōu)選的是至少一個(gè)定位單元裝置向定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)基。現(xiàn)在參考圖7，位于一個(gè)已知位置的第一定位單元裝置701被指定作為參考發(fā)射機(jī)，并從它的內(nèi)部所產(chǎn)生的時(shí)鐘702中產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)時(shí)基。位于已知位置的兩個(gè)接下來定位單元裝置703和704時(shí)間同步于第一定位單元裝置的參考定位信號(hào)705。第四定位單元裝置706，位于一個(gè)已知位置但超出第一定位單元裝置701范圍，同步于第二定位單元裝置唯一定位信號(hào)707。因此，系統(tǒng)允許通過定位單元裝置通過中間定位單元裝置進(jìn)行精確的級(jí)聯(lián)時(shí)間傳遞。位置接收機(jī)708接收由全部可視的定位單元裝置701，703，704和706所發(fā)射的時(shí)間同步定位信號(hào)709，并接下來計(jì)算一個(gè)單點(diǎn)位置解。此外，在位置接收機(jī)708處所計(jì)算的時(shí)間將按時(shí)序同步于參考定位單元裝置701的參考時(shí)鐘702。如果用戶僅關(guān)心位置確定，定位單元裝置701內(nèi)的參考時(shí)鐘702的任意時(shí)間值是不重要的，那么，參考定位單元裝置701內(nèi)的參考時(shí)鐘702需要轉(zhuǎn)到UTC。
由GNSS時(shí)基所控制的定位單元裝置參考在一顆WAAS衛(wèi)星信號(hào)是不可獲得且對(duì)于網(wǎng)絡(luò)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)全球時(shí)基是必要的情況下，可優(yōu)選的是參考定位單元裝置由一個(gè)GNSS時(shí)基轉(zhuǎn)到UTC。一個(gè)GNSS時(shí)基需要位于一個(gè)已知位置的一個(gè)位置接收機(jī)使用至少一個(gè)GNSS衛(wèi)星計(jì)算一個(gè)時(shí)間解。使用這種技術(shù)，在50納秒范圍內(nèi)的時(shí)間精度是可以獲得的。同步于參考定位單元裝置的定位單元裝置之間的相對(duì)時(shí)間精度將保持在皮秒級(jí)。
網(wǎng)絡(luò)間的位置解多個(gè)參考發(fā)射機(jī)可以被用于產(chǎn)生多個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)具有由參考發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的它自己的唯一時(shí)基。位于單個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的位置接收機(jī)能夠使用一個(gè)單點(diǎn)位置解確定位置、速度和時(shí)間(PVT)。相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)時(shí)基(即，參考發(fā)射機(jī)時(shí)鐘)的位置接收機(jī)的時(shí)間將得到確定，并被稱為一種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的位置解。位于兩個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)邊緣并從兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置中接收定位信號(hào)的位置接收機(jī)必須在確定它們的位置之前首先區(qū)分兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)基。這能夠被描述為一種網(wǎng)絡(luò)間的位置解，并需要一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)在計(jì)算一個(gè)單點(diǎn)位置解決方法之前首先選擇單個(gè)時(shí)基并將時(shí)鐘校正應(yīng)用于第二時(shí)基。
在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置在它們的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中也包括網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(網(wǎng)絡(luò)I.D.)信息。網(wǎng)絡(luò)I.D.映射定位單元裝置的參考時(shí)間的互連關(guān)系，以便對(duì)于每個(gè)可視的定位單元裝置，定位單元裝置和位置接收機(jī)能夠確定參考時(shí)鐘數(shù)據(jù)的起源和比喻性的“血統(tǒng)”。這允許位于兩個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)邊緣的一個(gè)定位單元裝置或位置接收機(jī)確定哪個(gè)定位單元裝置與每個(gè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，因此，確定哪個(gè)定位單元裝置需要在流動(dòng)位置接收機(jī)位置計(jì)算內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘校正。每個(gè)定位單元裝置接收來自所有其他的可視定位單元裝置的網(wǎng)絡(luò)I.D.信息，并作為響應(yīng)產(chǎn)生并向所有其他的可視定位單元裝置和流動(dòng)位置接收機(jī)發(fā)射它自己的網(wǎng)絡(luò)I.D.信息。
現(xiàn)在參考圖8，這里描述定位單元裝置801和802的兩個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)。定位單元裝置801-1、801-2和801-3處于彼此的視野范圍內(nèi)，并通過定位信號(hào)803-1、803-2和803-3進(jìn)行相互通信。定位單元裝置802-1、802-2和802-3處于彼此的視野范圍內(nèi)，并通過定位信號(hào)804-1、804-2和804-3進(jìn)行相互通信。位于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)邊緣附近的定位單元裝置801-3從一個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置802-3接收定位單元裝置定位信號(hào)804-3，并對(duì)于它自己網(wǎng)絡(luò)801時(shí)基計(jì)算相鄰網(wǎng)絡(luò)時(shí)基的時(shí)基差或時(shí)鐘偏差。定位單元裝置801-3在它的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中傳輸用于相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置802-1、802-2和802-3的時(shí)鐘校正，該校正包含在它的定位信號(hào)803-3中。因?yàn)樵谝粋€(gè)自主網(wǎng)絡(luò)里的所有時(shí)鐘是時(shí)間相干的，當(dāng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)校正值時(shí)，來自僅一個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)定位單元裝置801-3的定位信號(hào)需要由定位單元裝置801-3接收。此外，僅一個(gè)定位單元裝置801-3需要測(cè)量一個(gè)相鄰網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鶄鬏數(shù)木W(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘校正，在關(guān)于它的定位信號(hào)803-3的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中所發(fā)送，被接收并向在它自己的網(wǎng)絡(luò)801內(nèi)的其它定位單元裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)播，至于803-1和803-2接下來傳輸?shù)搅鲃?dòng)位置接收機(jī)805。
所傳輸?shù)男Ｕ?，在定位單元裝置801-3定位信號(hào)803-3的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中進(jìn)行傳輸，是由在網(wǎng)絡(luò)801和802之間流動(dòng)的一個(gè)位置接收機(jī)805所接收。流動(dòng)位置接收機(jī)應(yīng)用來自定位單元裝置801-3的所接收的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘校正，并接下來使用所有可視的定位單元裝置定位信號(hào)803-1、803-2和803-3和相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置定位信號(hào)804-3計(jì)算一個(gè)單點(diǎn)位置解。利用所計(jì)算的一個(gè)單點(diǎn)位置解，流動(dòng)位置接收機(jī)805時(shí)鐘將與提供時(shí)鐘校正的網(wǎng)絡(luò)801時(shí)基時(shí)間相干。此外，相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置802-3也能夠接收來自第一定位單元裝置801-3的定位信號(hào)803-3，并測(cè)量對(duì)于它自己網(wǎng)絡(luò)802時(shí)基的第一網(wǎng)絡(luò)801的時(shí)基差。然后，相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置802-3在它的定位信號(hào)804-3內(nèi)的它的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中傳輸用于它的相鄰網(wǎng)絡(luò)的定位單元裝置801-1、801-2和801-3的時(shí)鐘校正，由此，如果需要，允許流動(dòng)位置接收機(jī)805在時(shí)基之間進(jìn)行選擇。
用于GNSS和定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)基信息GNSS是同步網(wǎng)絡(luò)，并且在概念上與其他相鄰或共同可視定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)相同。用于GNSS和定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)的時(shí)基是由定位單元裝置通過監(jiān)控來自GNSS和定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)的定位信號(hào)，并在定位單元裝置的位置已知時(shí)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間解，或在定位單元裝置的位置未知時(shí)計(jì)算位置、速度、時(shí)間解來計(jì)算的。定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)和相鄰GNSS之間的時(shí)基差是由每個(gè)定位單元裝置基于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)時(shí)基計(jì)算的。網(wǎng)絡(luò)之間的這種時(shí)基差被計(jì)算作為GNSS網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)的偏移。作為替換，該偏移可以被計(jì)算作為定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于GNSS網(wǎng)絡(luò)的偏移。所計(jì)算的時(shí)基偏移被定位單元裝置發(fā)送到流動(dòng)位置接收機(jī)。該時(shí)基差可包括時(shí)間差，時(shí)間-速率(頻率)差，時(shí)間加速度(頻率-速率)，以及相鄰網(wǎng)絡(luò)之間的其他定時(shí)差。
位置接收機(jī)使用時(shí)基偏移來校正取自GNSS網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量到與定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)相同的時(shí)基。作為替換，定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)基可以被校正到GNSS網(wǎng)絡(luò)時(shí)基。此外，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以被校正到與定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)基或GNSS時(shí)基都不同的第三時(shí)基。一旦測(cè)量在相同時(shí)基，這些測(cè)量可以被一起用來執(zhí)行位置求解。這種自主測(cè)量處理，有時(shí)被稱為單點(diǎn)定位，是非常期盼的，因?yàn)槌薌NSS和定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)所提供的信息之外，不需要向位置接收機(jī)提供附加信息。這種概念通過使用多個(gè)時(shí)基校正可以從單個(gè)GNSS網(wǎng)絡(luò)和單個(gè)定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到一個(gè)或多個(gè)定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)以及一個(gè)或多個(gè)GNSS網(wǎng)絡(luò)。
使用定位單元裝置作為用于流動(dòng)位置接收機(jī)的頻率參考GNSS接收機(jī)必須在一個(gè)頻率范圍內(nèi)搜索GNSS信號(hào)，這是因?yàn)閍)本地頻率參考的不確定性，b)由GNSS衛(wèi)星的移動(dòng)感應(yīng)的多譜勒，以及c)由位置接收機(jī)的移動(dòng)感應(yīng)的多譜勒。對(duì)于一個(gè)示意性實(shí)例，陸地位置接收機(jī)的GPS頻率搜索空間是以下的組合1)衛(wèi)星感應(yīng)的多譜勒，近似最大值為6kHz，2)本地頻率參考的不確定性，大約1.5kHz(基于GPS接收機(jī)的百萬分之一(ppm)的典型參考，換算為1575.42MHz)，以及3)位置接收機(jī)移動(dòng)感應(yīng)的大約220Hz的多譜勒(給定150km/hr或41.6m/s的最大速度)。這些頻率不確定性的組合大約為8kHz。因此，這種典型的GPS接收機(jī)將必須搜索+/-8kHz頻率不確定性空間，直到找到信號(hào)。該典型的GPS接收機(jī)搜索500Hz寬的頻率接收器，相當(dāng)于1毫秒的相干積分。因此，對(duì)于全頻搜索，典型的GPS接收機(jī)將必須在32個(gè)不同的頻率接收器中搜索。
定位單元裝置信號(hào)，不同于GPS衛(wèi)星，在被安裝到如本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所述的固定位置時(shí)沒有發(fā)射機(jī)感應(yīng)的多譜勒。這種網(wǎng)絡(luò)配置因此去除了由發(fā)射機(jī)移動(dòng)感應(yīng)的6kHz的頻率不確定性，導(dǎo)致大約+/-1.7kHz的總搜索空間來搜索定位單元裝置定位信號(hào)。典型的位置接收機(jī)可以用總共8個(gè)頻率接收器搜索或搜索GPS衛(wèi)星所需的大約1/5搜索時(shí)間來搜索該頻率不確定性范圍。在捕獲了單個(gè)定位單元裝置的信號(hào)之后，由于第一定位單元裝置的發(fā)射頻率與網(wǎng)絡(luò)中的其他定位單元裝置相同，本地頻率參考中的不確定性被去除。這又進(jìn)一步從必須被搜索的頻率不確定性空間中去除了與本地頻率參考有關(guān)的另外1.5kHz。因此，在搜索后續(xù)定位單元裝置時(shí)，僅僅通過定位接收機(jī)移動(dòng)導(dǎo)出頻率不確定性。對(duì)于許多應(yīng)用而言，最大感應(yīng)的多譜勒為大約220Hz。所產(chǎn)生的+/-220Hz頻率搜索是用單個(gè)(500Hz)頻率接收器實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于后續(xù)定位單元裝置定位信號(hào)不需要頻率搜索。剩余的定位單元裝置定位信號(hào)將落入單個(gè)頻率搜索接收器內(nèi)。
頻率搜索空間的減小不僅應(yīng)用于搜索后續(xù)定位單元裝置，而且應(yīng)用于對(duì)GNSS信號(hào)的后續(xù)搜索。在該優(yōu)選實(shí)施例中，位置接收機(jī)首先搜索定位單元裝置定位信號(hào)。定位單元裝置，在如優(yōu)選實(shí)施例所述的陸地實(shí)施方式中，規(guī)定比基于衛(wèi)星的系統(tǒng)更強(qiáng)，由此更容易檢測(cè)和捕獲信號(hào)。在捕獲了第一定位單元裝置定位信號(hào)之后，本地頻率參考中的1.5kHz不確定性可以從頻率搜索空間中去除，去除32個(gè)接收器中的6個(gè)。另外，每個(gè)定位單元裝置發(fā)送定位單元裝置觀測(cè)到的相對(duì)于定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的GNSS衛(wèi)星多譜勒。GNSS衛(wèi)星多譜勒由定位單元裝置通過跟蹤定位單元裝置內(nèi)的GNSS定位信號(hào)來計(jì)算。GNSS衛(wèi)星多譜勒觀測(cè)，或GNSS衛(wèi)星多譜勒觀測(cè)模型，被置于定位單元裝置定位信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流部分。位置接收機(jī)然后使用由定位單元裝置導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供的GNSS多譜勒來計(jì)算GNSS衛(wèi)星相對(duì)于定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的多譜勒頻率。在本優(yōu)選實(shí)施例中，位置接收機(jī)1)捕獲第一定位單元裝置，2)解碼來自第一定位單元裝置導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流的GNSS衛(wèi)星多譜勒信息，以及3)計(jì)算要搜索的GNSS衛(wèi)星多譜勒搜索接收器。在許多情況下，對(duì)于GNSS衛(wèi)星的搜索也可以減少到單個(gè)頻率接收器。
倘若在定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)上的頻率參考是共同的，所有定位單元裝置都按時(shí)序同步。位置接收機(jī)中的本地頻率參考是利用從載波跟蹤環(huán)導(dǎo)出的多譜勒測(cè)量來校準(zhǔn)的，該載波跟蹤環(huán)被用于跟蹤來自定位單元裝置的定位信號(hào)。因此，位置接收機(jī)頻率參考可以利用來自單個(gè)定位單元裝置的信號(hào)，或來自一個(gè)或多個(gè)定位單元裝置的組合的信號(hào)，被控制到共同的網(wǎng)絡(luò)頻率參考。控制位置接收機(jī)本地頻率參考優(yōu)選通過數(shù)學(xué)建模來實(shí)現(xiàn)。作為替換，本地參考頻率可以被物理控制到定位單元裝置頻率參考，或其他方便的頻率參考，如方便的GNSS系統(tǒng)的頻率參考。該方法提供了一種用于捕獲定位單元裝置定位信號(hào)，如GNSS信號(hào)，或用于可從精確的頻率參考受益的位置接收機(jī)內(nèi)的其他功能的穩(wěn)定和精確的頻率參考。另外，取自定位單元裝置定位信號(hào)的其他測(cè)量，如載波相位，積分載波相位(ICP)，偽距變化，或其他這些測(cè)量，都可以用于控制、模擬、或校正本地頻率參考到共同網(wǎng)絡(luò)頻率參考。
定位單元裝置發(fā)送在它們的定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流中定位單元裝置可視的定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)和GNSS網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間和頻率偏移。因此，位置接收機(jī)可確定相對(duì)于位置接收機(jī)本地頻率參考的GNSS系統(tǒng)頻率。首先，位置接收機(jī)本地頻率參考與定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)頻率(如上所述)同步。然后用在定位單元裝置定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流中提供的GNSS系統(tǒng)頻率偏移調(diào)節(jié)同步位置接收機(jī)本地頻率參考。一旦位置接收機(jī)本地頻率參考被調(diào)節(jié)到GNSS系統(tǒng)頻率，GNSS系統(tǒng)頻率可直接用于位置接收機(jī)。
在該優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)頻率通過同步定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和頻率到GNSS系統(tǒng)時(shí)間和頻率與GNSS系統(tǒng)頻率對(duì)齊。因此，定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)和GNSS系統(tǒng)頻率和時(shí)間被保持基本上相同，并且在捕獲期間不需要校正。在一個(gè)替換實(shí)施例中，定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和頻率被允許相對(duì)于GNSS系統(tǒng)時(shí)間和頻率參考漂移。在此實(shí)施例中，調(diào)整定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和頻率所需的數(shù)學(xué)校正在定位單元裝置內(nèi)被計(jì)算。每個(gè)定位單元裝置然后在其定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)流中發(fā)送調(diào)整定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和頻率到GNSS系統(tǒng)時(shí)間和頻率所需的數(shù)據(jù)模型的各個(gè)元素。
在流動(dòng)位置接收機(jī)中使用定位單元裝置時(shí)間同步定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的位置接收機(jī)可以利用相對(duì)于諸如GNSS的時(shí)間真值參考的時(shí)間知識(shí)，在搜索GNSS衛(wèi)星時(shí)提高位置接收機(jī)的性能。提高性能所需的時(shí)間知識(shí)可以是粗略的時(shí)間，精度在幾百毫秒和幾分鐘之間。需要這種級(jí)別的時(shí)間知識(shí)來確定哪些GNSS衛(wèi)星在特定位置是可視的，或提供用于GNSS衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量的時(shí)間標(biāo)志。到更精確級(jí)別的時(shí)間知識(shí)，幾毫秒或更高級(jí)別，可以被用于其他用途。
一旦捕獲到單個(gè)定位單元裝置定位信號(hào)并且計(jì)算了定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，粗略的定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間可用于流動(dòng)位置接收機(jī)，而不需要位置接收機(jī)計(jì)算位置、速度、時(shí)間(PVT)解。在計(jì)算位置、速度、時(shí)間(PVT)解之前，對(duì)于位置接收機(jī)時(shí)鐘存在不確定性，稱為共模時(shí)偏。這種粗略網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的精度與位置接收機(jī)和定位單元裝置之間的距離直接相關(guān)。例如，源自10公里遠(yuǎn)的定位單元裝置的時(shí)間導(dǎo)致位置接收機(jī)內(nèi)的時(shí)間標(biāo)志誤差為大約30微秒，加上在確定流動(dòng)接收機(jī)位置之前的任何共模時(shí)偏。所述時(shí)間標(biāo)志信息可用于位置求解和/或可用于附加定位信號(hào)的捕獲和時(shí)間標(biāo)記。
當(dāng)捕獲附加的定位單元裝置定位信號(hào)時(shí)，位置接收機(jī)的共模時(shí)偏對(duì)于所有定位單元裝置定位信號(hào)都是共同的。利用這種知識(shí)，可以利用粗略時(shí)間估計(jì)搜索和捕獲其他定位單元裝置定位信號(hào)。例如，假設(shè)可視的所有定位單元裝置已知在位置接收機(jī)的10公里以內(nèi)，而且已經(jīng)捕獲到第一定位單元裝置。由此可以斷定，其余定位單元裝置定位信號(hào)將在第一定位單元裝置定位信號(hào)的大約30微秒以內(nèi)。
定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和GNSS系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)間偏移在定位單元裝置導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流內(nèi)廣播。一旦位置接收機(jī)已經(jīng)建立了定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，該時(shí)間偏移為定位接收機(jī)提供GNSS時(shí)間。定位單元裝置跟蹤GNSS信號(hào)相對(duì)于定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的相對(duì)延遲(偽距)，并在導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特流內(nèi)廣播這些相對(duì)延遲。GNSS信號(hào)相對(duì)于定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的相對(duì)時(shí)間偏移，加上定位單元共模時(shí)偏的知識(shí)的結(jié)合，在捕獲GNSS信號(hào)時(shí)提供了時(shí)間幫助。為了示例性實(shí)例，如果定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間已知在30微秒內(nèi)，如上述例子所述，GNSS時(shí)間也將已知在30微秒以內(nèi)。
上述時(shí)間幫助實(shí)例假設(shè)位置接收機(jī)內(nèi)的相對(duì)延遲對(duì)于GNSS和定位單元裝置信號(hào)是共同的。如果GNSS和定位單元裝置信號(hào)處于相同頻率，這一般來說是真的。如果GNSS和定位單元裝置信號(hào)處于不同頻率，則將會(huì)導(dǎo)致由位置接收機(jī)的射頻(RF)成分的頻率相關(guān)延遲所引起的相對(duì)偏移。然而頻率相關(guān)的相對(duì)RF延遲通常要比對(duì)時(shí)間幫助所期盼的精度要小得多，在時(shí)間幫助中，時(shí)間幫助精度通常按照幾十微秒來描述。
GPS C/A碼信號(hào)以1.023Mbps的碼片(chipping)速率每毫秒重復(fù)一次。這導(dǎo)致要搜索1000微秒的時(shí)間延遲空間來尋找GPS信號(hào)。因此，如果定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間在30微秒內(nèi)被提供給位置接收機(jī)，該GPS時(shí)間搜索從1000微秒被縮短到60微秒(+/-30微秒)。從定位單元裝置可用的時(shí)間，在與對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)間偏移結(jié)合時(shí)，允許GNSS接收機(jī)不用全時(shí)間-空間搜索就能捕獲GNSS衛(wèi)星。當(dāng)位置接收機(jī)捕獲了足夠數(shù)量的定位單元裝置定位信號(hào)以計(jì)算位置、速度、時(shí)間(PVT)解，而且本地位置接收機(jī)時(shí)鐘偏置已經(jīng)被解算出時(shí)，GNSS衛(wèi)星的時(shí)間-空間搜索被進(jìn)一步減少。
除了定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和GNSS系統(tǒng)時(shí)間之間的時(shí)間校正，定位單元裝置發(fā)送信息到位置接收機(jī)以幫助GNSS衛(wèi)星捕獲和跟蹤。GNSS衛(wèi)星數(shù)量，到衛(wèi)星的近似距離，預(yù)測(cè)的衛(wèi)星感應(yīng)的多譜勒和其他幫助信息，在定位單元裝置定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)流中提供。這使得位置接收機(jī)更快地捕獲GNSS衛(wèi)星信號(hào)。這種相同的捕獲信息還將為網(wǎng)絡(luò)中的其他定位單元裝置，以及為任何相鄰網(wǎng)絡(luò)提供。
多頻時(shí)間同步在優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)定位信號(hào)被從每個(gè)定位單元裝置以多個(gè)頻率傳輸。位置接收機(jī)接下來解釋多個(gè)的定位信號(hào)以產(chǎn)生用于整載波周期模糊度解算(AR)的一個(gè)所謂的寬通道。RF載波信號(hào)在通過發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電子器件時(shí)經(jīng)歷一個(gè)被稱為“群延遲”的時(shí)間延遲。群延遲依賴于頻率和周圍溫度能夠變化一些納秒。因此，從一個(gè)公共振蕩器中產(chǎn)生和通過同樣傳輸路徑傳輸?shù)亩鄠€(gè)載波頻率將因?yàn)檩d波頻率的不同經(jīng)歷不等的時(shí)間延遲，并進(jìn)一步經(jīng)歷由發(fā)射機(jī)電子器件的溫度變化所引起的變化的時(shí)間延遲。這導(dǎo)致所傳輸?shù)亩ㄎ恍盘?hào)不是相位相干的。非相位相干的定位信號(hào)將距離誤差引入寬通道模糊度解算(AR)過程。
一個(gè)定位單元裝置能夠通過傳輸多個(gè)頻率不同的定位信號(hào)消除來自一個(gè)參考發(fā)射機(jī)的非相干相位問題，這些定位信號(hào)單獨(dú)同步于它們各自的輸入?yún)⒖级ㄎ恍盘?hào)。一個(gè)定位單元裝置包含多個(gè)受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘，能夠控制以多個(gè)載波頻率發(fā)射的多個(gè)定位信號(hào)。定位單元裝置的位置接收機(jī)跟蹤這些多個(gè)的頻率不同的參考定位信號(hào)，也跟蹤多個(gè)頻率不同的從定位信號(hào)。定位單元裝置時(shí)鐘將每個(gè)頻率不同的參考定位信號(hào)同步于它的各自的頻率不同的從定位信號(hào)，這樣，每個(gè)從定位信號(hào)按時(shí)序同步于參考發(fā)射機(jī)。然后，定位單元裝置發(fā)射它的多個(gè)的頻率不同的定位信號(hào)，這些信號(hào)時(shí)間相干于來自參考發(fā)射機(jī)的群延遲。利用至少三個(gè)可視的時(shí)間同步定位單元裝置，一個(gè)位置接收機(jī)從每個(gè)可視的定位單元裝置確定寬通道的整數(shù)模糊度解算(AR)。參考發(fā)射機(jī)群延遲產(chǎn)生出一個(gè)AR距離誤差，這在時(shí)間同步定位單元裝置之間是公有的。因此，在每個(gè)定位單元裝置偽距上，引入距離誤差的相同AR是顯而易見的。位置接收機(jī)將這種公有的偽距誤差解釋為一個(gè)接收機(jī)時(shí)鐘偏差，并在單點(diǎn)位置計(jì)算中消除該誤差。
網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)構(gòu)架對(duì)于時(shí)間同步的先決條件是知道關(guān)于一個(gè)參考坐標(biāo)系的定位單元裝置的位置?？梢允褂萌魏斡行У淖鴺?biāo)系，但在優(yōu)選實(shí)施例中，使用地心地固(ECEF)坐標(biāo)系，這也是GPS和WAAS所用的坐標(biāo)系。在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置從GNSS，和/或WAAS，和/或其他定位單元裝置中進(jìn)行自身觀測(cè)以確定一個(gè)ECEF坐標(biāo)。
發(fā)射頻率在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置在不為法定的2.4GHz到2.48GHz的工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(ISM)帶寬中進(jìn)行發(fā)射。2.4GHz ISM帶寬允許定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不受規(guī)章限制，不對(duì)如GPS的目前導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生沖突。2.4GHz ISM帶寬也允許83.5GHz帶寬，該帶寬能夠被用于直接序列展布頻譜定位信號(hào)的所增加chipping率，或者對(duì)于寬通道整數(shù)周模糊度解算使用多載波。
定位單元裝置硬件說明在優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)定位單元裝置包含一個(gè)位置接收機(jī)、一個(gè)發(fā)射機(jī)、一個(gè)中央處理器(CPU)和一個(gè)公共振蕩器。位置接收機(jī)包含多個(gè)能夠接收多個(gè)定位信號(hào)的接收信道，每個(gè)信號(hào)包括一個(gè)載波部分、一個(gè)PRN碼部分和一個(gè)數(shù)據(jù)部分。發(fā)射機(jī)包含至少一個(gè)RF載波發(fā)生器、至少一個(gè)PRN碼發(fā)生器和至少一個(gè)受控時(shí)鐘。CPU包括用于解釋由位置接收機(jī)所接收的定位信號(hào)的裝置，用于控制發(fā)射機(jī)響應(yīng)裝置受控時(shí)鐘的響應(yīng)裝置和用于產(chǎn)生導(dǎo)航數(shù)據(jù)的裝置。公共振蕩器向定位單元裝置的所有部分提供一個(gè)相干的局部時(shí)基。
現(xiàn)在參考圖9，這里描述一種定位單元裝置901，包含一個(gè)位置接收機(jī)902、一個(gè)發(fā)射機(jī)903、一個(gè)中央處理器(CPU)904和一個(gè)公共振蕩器905。位置接收機(jī)902包含多個(gè)接收信道906，發(fā)射機(jī)903包含一個(gè)或多個(gè)載波發(fā)生器907，一個(gè)或多個(gè)碼發(fā)生器908和一個(gè)或多個(gè)受控時(shí)鐘909。CPU 904包括用于位置接收機(jī)通信的裝置910，用于發(fā)射機(jī)通信的裝置911和用于發(fā)射機(jī)受控時(shí)鐘通信的裝置912。
定位單元裝置接收機(jī)一個(gè)定位單元裝置接收機(jī)包括至少一個(gè)能夠接收和解調(diào)至少一個(gè)來自一個(gè)參考發(fā)射機(jī)的參考定位信號(hào)的接收信道，至少一個(gè)能夠接收和解調(diào)至少一個(gè)同位發(fā)射機(jī)的從定位信號(hào)的接收頻道。優(yōu)選地，一個(gè)定位單元裝置接收機(jī)為了提高精確度和完整性能夠接收多個(gè)參考定位信號(hào)。定位單元裝置接收機(jī)也應(yīng)該優(yōu)選地能夠接收來自其他定位單元裝置的在2.4GHz ISM波段中傳輸?shù)亩ㄎ恍盘?hào)和來自WAAS和GNSS衛(wèi)星的在微波L波段頻率中傳輸?shù)亩ㄎ恍盘?hào)。一個(gè)定位單元裝置接收機(jī)跟蹤、解調(diào)并利用用于傳統(tǒng)GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)的相同方法解釋定位信號(hào)。GPS接收機(jī)的處理和設(shè)計(jì)在本領(lǐng)域是眾所周知的，不作為這里描述的主題。
定位單元裝置發(fā)射機(jī)一個(gè)定位單元裝置發(fā)射機(jī)與一個(gè)常規(guī)GPS偽衛(wèi)星具有許多相同之處，有一個(gè)主要的、關(guān)鍵的改善一個(gè)受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘。在優(yōu)選實(shí)施例中，受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘是利用直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)在數(shù)字領(lǐng)域中產(chǎn)生。DDS技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字發(fā)生振蕩器，該振蕩器能夠被頻率控制到毫赫茲精度，因而允許發(fā)射機(jī)時(shí)鐘精確“從屬于”一個(gè)輸入的參考信號(hào)。發(fā)射機(jī)也包括至少一個(gè)射頻(RF)載波發(fā)生器和至少一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)(PRN)碼發(fā)生器。RF載波發(fā)生器產(chǎn)生優(yōu)選以2.4GHz ISM波段中傳輸?shù)恼疑漕l波的載波部分，PRN碼發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)包括一個(gè)能夠區(qū)分于在相同載波頻率上傳輸?shù)钠渌麄坞S機(jī)碼序列的唯一碼序列碼部分。多個(gè)的碼能夠在多個(gè)頻率上產(chǎn)生以提供一個(gè)所謂的“寬通道”，這允許載波整數(shù)周模糊度在一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)中得到解算。在優(yōu)選實(shí)施例中，定位單元裝置發(fā)射機(jī)在一個(gè)時(shí)分多址(TDMA)方案中得到脈沖調(diào)制，這樣，高功率的CDMA定位信號(hào)不干擾在相同載波頻率上傳輸?shù)妮^弱的CDMA定位信號(hào)。這種現(xiàn)象被稱為“近/遠(yuǎn)問題”，也是在本領(lǐng)域眾所周知的。
定位單元裝置中心處理器定位單元裝置CPU包括a)用于確定定位單元裝置的當(dāng)前位置的工具。
位置確定通過自身觀測(cè)或通過手動(dòng)初始化得到完成。
自身觀測(cè)需要定位單元裝置處于至少四顆其他參考定位單元裝置的可視范圍內(nèi)以確定一個(gè)三維單點(diǎn)位置解，或者，作為選擇，一個(gè)定位單元裝置處于至少三顆GNSS衛(wèi)星和至少一個(gè)參考定位單元裝置的可視范圍內(nèi)。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，參考定位單元裝置向定位單元裝置的所有可視的GNSS衛(wèi)星提供碼和相位微分校正。然后，定位單元裝置計(jì)算相對(duì)于參考定位單元裝置的精確位置。
手動(dòng)初始化通過將定位單元裝置放置在一個(gè)預(yù)定位置并手動(dòng)將地理坐標(biāo)值輸入定位單元裝置存儲(chǔ)器中得到完成。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一定位單元裝置使用精確的已知坐標(biāo)得到手動(dòng)初始化，接下來定位單元裝置從GNSS衛(wèi)星和第一定位單元裝置中進(jìn)行自身觀測(cè)。
b)用于通過位置接收機(jī)初始化一個(gè)參考信號(hào)搜索的工具。
位置接收機(jī)的所有信道被設(shè)置進(jìn)行搜索任意可視的參考定位信號(hào)。
c)用于獲得至少一個(gè)參考定位信號(hào)并從導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分提取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的工具。
d)用于確定從參考發(fā)射機(jī)到定位單元裝置的信號(hào)傳播延遲的工具。
參考發(fā)射機(jī)位置坐標(biāo)首先從參考定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)中提取出來，并與已知的定位單元裝置位置進(jìn)行比較。所計(jì)算的在參考發(fā)射機(jī)和定位單元裝置之間的地理距離被轉(zhuǎn)換成一個(gè)穿越時(shí)間偏移。
e)用一個(gè)適當(dāng)?shù)奈ㄒ籔RN碼初始化從發(fā)射機(jī)碼發(fā)生器的工具。
f)產(chǎn)生并將適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送到發(fā)射機(jī)的工具，該網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)作為在從定位信號(hào)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。
導(dǎo)航數(shù)據(jù)在發(fā)射機(jī)發(fā)生的PRN碼上進(jìn)行調(diào)制。導(dǎo)航數(shù)據(jù)包括周時(shí)間信息，定位單元裝置位置和如其他定位單元裝置和GNSS衛(wèi)星的位置和狀態(tài)的其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
g)應(yīng)用所計(jì)算的穿越時(shí)間偏移并將從發(fā)射機(jī)初始化為適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)時(shí)間和頻率的工具。
h)啟動(dòng)位置接收機(jī)以搜索從定位信號(hào)的工具。
i)獲得從定位信號(hào)并應(yīng)用一個(gè)控制環(huán)以獲取參考和從定位信號(hào)的頻率相干的工具。
CPU測(cè)量參考和從定位信號(hào)的瞬時(shí)綜合載波相位(ICP)差并應(yīng)用一個(gè)被稱為“時(shí)間同步環(huán)(TLL)”的控制環(huán)。TLL的輸出將校正值應(yīng)用到受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘，以便將ICP差降為0。
j)從從定位信號(hào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)部分中提取所傳輸?shù)膹臅r(shí)間并確定參考定位信號(hào)和從定位信號(hào)之間的時(shí)間差的工具。
k)將受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)到所需數(shù)量以參考定位信號(hào)和從定位信號(hào)之間的時(shí)間差降為0的工具，這樣，從定位信號(hào)按時(shí)序與參考發(fā)射機(jī)時(shí)間對(duì)齊。
l)表明時(shí)間同步狀態(tài)的工具。
公共振蕩器通用振蕩器向定位單元裝置的所有部分提供一個(gè)相干局部時(shí)基。尤其是，同一個(gè)振蕩器被用于驅(qū)動(dòng)位置接收機(jī)，CPU和受控的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘。一個(gè)相干局部時(shí)基使用一個(gè)所謂的頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS)允許對(duì)所接收的參考定位信號(hào)進(jìn)行開環(huán)頻率跟蹤。利用FTS，所接收的參考定位信號(hào)頻率偏移，如由定位單元裝置位置接收機(jī)所測(cè)得的，被直接反饋到定位單元裝置的受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘。受控發(fā)射機(jī)時(shí)鐘只是仿真輸入的參考定位信號(hào)的頻率偏移值，因而，消除公共振蕩器項(xiàng)并保持在參考和從定位信號(hào)之間的參考/從頻率同步。FTS有助于從定位信號(hào)的獲得和時(shí)間校準(zhǔn)。
移動(dòng)系統(tǒng)描述一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)優(yōu)選地包括多個(gè)能夠接收并解釋來自定位單元裝置的定位信號(hào)的接收信道，定位信號(hào)優(yōu)選地在2.4MHz ISM波段進(jìn)行傳輸。流動(dòng)位置接收機(jī)也優(yōu)選地能夠接收并解釋來自GNSS和WAAS衛(wèi)星的在L波段頻率進(jìn)行傳輸?shù)亩ㄎ恍盘?hào)。流動(dòng)位置接收機(jī)優(yōu)選地能夠解調(diào)包含來自所有可視的定位信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。這允許確定定位單元裝置的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間、GNSS時(shí)間、定位單元裝置位置、衛(wèi)星位置和其他網(wǎng)絡(luò)和GNSS數(shù)據(jù)。在優(yōu)選實(shí)施例中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間通過WAAS衛(wèi)星出自于GNSS時(shí)間，由此，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和GNSS時(shí)間時(shí)間相干。一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)也優(yōu)選地包含對(duì)于每個(gè)可視定位信號(hào)進(jìn)行基于碼的偽距測(cè)量的裝置，對(duì)于每個(gè)可視定位信號(hào)進(jìn)行載波相位測(cè)量的裝置，和使用單點(diǎn)位置確定解出位置、速度和時(shí)間(PVT)的裝置。單點(diǎn)位置確定能夠通過使用一種常規(guī)的GPS位置求解方法完成，這種方法通常是在本領(lǐng)域眾所周知的最少平方回歸的形式。
流動(dòng)位置接收機(jī)優(yōu)選地包含確定整數(shù)周模糊度的裝置。在優(yōu)選實(shí)施例中，整數(shù)周模糊度使用寬通道技術(shù)得到解算。一旦整數(shù)周模糊度得到解算，從流動(dòng)位置接收機(jī)到定位單元裝置的一個(gè)精確載波相位偽距得到確定。載波偽距包括一個(gè)載波周期的整數(shù)(整數(shù)部分)和一個(gè)部分載波周數(shù)目(不足一周的部分或相位部分)，并因?yàn)槲粗慕邮諜C(jī)時(shí)鐘偏差被稱為偽距。時(shí)間同步定位單元裝置展示出幾十皮秒的時(shí)間相干，由此，允許從精確的載波偽距中形成一個(gè)單點(diǎn)位置解，而不需要微分校正。
一個(gè)位置接收機(jī)使用常規(guī)GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)中所使用的同樣的方法跟蹤、解調(diào)并解釋由時(shí)間同步定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的定位信號(hào)。GPS接收機(jī)的處理和設(shè)計(jì)，還有寬通道模糊度解算在本領(lǐng)域中是眾所周知的，不作為這里描述的主題。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，雖然通過本發(fā)明的示例給出了上述內(nèi)容，但對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的所有這些和其他的修改和變更，被認(rèn)為落入在此陳述的本發(fā)明的大范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)組成的位置系統(tǒng)中為位置接收機(jī)提供輔助的方法，所述定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)提供同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和同步網(wǎng)絡(luò)頻率，所述方法包括a)在定位單元裝置處理全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)以確定輔助數(shù)據(jù)，所述輔助數(shù)據(jù)包括i)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的到達(dá)時(shí)間；以及ii)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率的頻率；b)將所述確定的輔助數(shù)據(jù)并入到由所述定位單元裝置發(fā)送的定位信號(hào)中，c)在所述位置接收機(jī)分析所述定位信號(hào)，以i)提取所述確定的輔助數(shù)據(jù)；和ii)確定所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率；d)在對(duì)應(yīng)于所述提取的輔助數(shù)據(jù)、所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率的范圍內(nèi)，在所述位置接收機(jī)搜索全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間包括所述定位單元裝置的相對(duì)接收時(shí)間偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間來自在所述位置接收機(jī)從定位單元裝置的所述同步網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的位置、速度和時(shí)間(PVT)解。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)時(shí)間和所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間之間的時(shí)間偏移。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)頻率和所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率之間的頻率偏移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星軌道信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)的頻率速率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的頻率加速度。
9.一種用于在由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)組成的位置系統(tǒng)中為位置接收機(jī)提供輔助的方法，所述定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)提供同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，所述方法包括a)在定位單元裝置處理全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)以確定輔助數(shù)據(jù)，所述輔助數(shù)據(jù)包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的到達(dá)時(shí)間；以及b)將所述確定的輔助數(shù)據(jù)并入到由所述定位單元裝置發(fā)送的定位信號(hào)中，c)在所述位置接收機(jī)分析所述定位信號(hào)，以i)提取所述確定的輔助數(shù)據(jù)；和ii)確定所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間；d)在對(duì)應(yīng)于所述提取的輔助數(shù)據(jù)和所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的范圍內(nèi)，在所述位置接收機(jī)搜索全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間包括所述定位單元裝置的相對(duì)接收時(shí)間偏移。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述確定的同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間來自在所述位置接收機(jī)從定位單元裝置的所述同步網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的位置、速度和時(shí)間(PVT)解。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)時(shí)間和所述同步網(wǎng)絡(luò)時(shí)間之間的時(shí)間偏移。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星軌道信息。
14.一種用于在由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)組成的位置系統(tǒng)中為位置接收機(jī)提供輔助的方法，所述定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)提供同步網(wǎng)絡(luò)頻率，所述方法包括a)在定位單元裝置處理全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)以確定輔助數(shù)據(jù)，所述輔助數(shù)據(jù)包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率的頻率；b)將所述確定的輔助數(shù)據(jù)并入到由所述定位單元裝置發(fā)送的定位信號(hào)中，c)在所述位置接收機(jī)分析所述定位信號(hào)，以i)提取所述確定的輔助數(shù)據(jù)；和ii)確定所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率；d)在對(duì)應(yīng)于所述提取的輔助數(shù)據(jù)和所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率的范圍內(nèi)，在所述位置接收機(jī)搜索全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)系統(tǒng)頻率和所述同步網(wǎng)絡(luò)頻率之間的頻率偏移。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星軌道信息。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)的頻率速率。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述輔助數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括所述全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的頻率加速度。
全文摘要
公開了一種用于在由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)組成的位置網(wǎng)絡(luò)中為位置接收機(jī)提供輔助的系統(tǒng)和方法。定位單元裝置觀測(cè)接收的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)相對(duì)于定位單元裝置的同步網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和頻率。這些時(shí)間和頻率觀測(cè)作為輔助數(shù)據(jù)被調(diào)制到定位信號(hào)上，這些定位信號(hào)被定位單元裝置廣播。位置接收機(jī)解調(diào)輔助數(shù)據(jù)并分析定位信號(hào)。位置接收機(jī)然后在根據(jù)輔助數(shù)據(jù)和對(duì)所接收的定位信號(hào)的分析的范圍內(nèi)搜索全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào)。
文檔編號(hào)H04B7/185GK1833178SQ200480022317
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月5日
發(fā)明者小詹姆斯·W·拉蔓斯, 戴維·斯莫爾 申請(qǐng)人:洛克達(dá)公司