專利名稱：位置網(wǎng)絡(luò)中的頻率相干的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于為移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生精確的位置確定的系統(tǒng)和 方法。本發(fā)明尤其應(yīng)用于精確的到達(dá)時(shí)間位置確定系統(tǒng)。本發(fā)明不受 現(xiàn)有技術(shù)的要求所約束，如在發(fā)射機(jī)信標(biāo)之間的物理連接，如需要連 接到每個(gè)發(fā)射機(jī)的原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，或者需要微分校正技術(shù)。
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^M言標(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)的電纜在時(shí)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)一個(gè)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)的綷度、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，U)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)的基于栽波的微分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)的栽波相位測(cè)量，然后，通過一個(gè)RF數(shù)據(jù)鏈將栽波 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)量部分相位加上該栽波的任意個(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 Ll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)栽波的波長(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)
8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(guó)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申請(qǐng)的標(biāo)題為"地面收發(fā)信機(jī)網(wǎng)絡(luò)"的美國(guó)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，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講述 了使用微分校正克服主時(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)，其結(jié)合了已經(jīng)區(qū)別衛(wèi)星信號(hào) 的信號(hào)(第7欄，第34到67行，和第8欄，第1到34行)。Sheynblat 的專利講述了微分方法的改進(jìn)，但沒有講述，展示或建議將在流動(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)位置解的更為期盼的系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)允許到達(dá)時(shí)間位置確定，至少需要以下 一 個(gè)方面 (a)發(fā)射機(jī)信標(biāo)之間的物理連接；(b)每個(gè)發(fā)射機(jī)的原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)； (c)同步一個(gè)GPS時(shí)基；(d)某種形式的微分校正。 一個(gè)能夠提供 極精確的到達(dá)時(shí)間定位信號(hào)、而沒有任何這些約束的系統(tǒng)，是極為人 所盼的。本發(fā)明通過按時(shí)序同步一個(gè)無線電收發(fā)機(jī)系統(tǒng)(下文稱作定 位單元裝置)實(shí)現(xiàn)這個(gè)所期盼的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種定位系統(tǒng)和方法用于進(jìn)行精確 的碼和載波相位位置確定，而不需要定位單元裝置之間的物理互連。
10本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供一種定位系統(tǒng)和方法用于進(jìn)行精 確的碼和載波相位位置確定，而不需要原子時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供一種定位系統(tǒng)和方法用于進(jìn)行精 確的碼和載波相位位置確定，而不需要一種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)基。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供一種定位系統(tǒng)和方法用于進(jìn)行精 確的碼和載波相位位置確定，而不需要微分校正技術(shù)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于使定位單元裝置按時(shí)序同步于一個(gè)系 統(tǒng)時(shí)基，該系統(tǒng)時(shí)基不必絕對(duì)精確。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于通過地理上分布的定位單元裝置傳播 一個(gè)參考時(shí)基。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于向一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)提供按時(shí)序同 步的碼相位偽距，以便單點(diǎn)碼相位位置解不借助微分校正就能夠得到 確定。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于向一個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)提供按時(shí)序同 步的碼相位偽距，以便一旦整數(shù)周模糊度被解出，單點(diǎn)載波相位位置 求解不借助微分校正就能夠得到確定。
本發(fā)明還有 一 個(gè)目的在于向 一 個(gè)流動(dòng)位置接收機(jī)提供精確的網(wǎng) 絡(luò)傳輸時(shí)間信息。
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，其在一個(gè)接收到的由至少 一個(gè)參考 發(fā)射機(jī)發(fā)送的參考定位信號(hào)和由定位單元裝置產(chǎn)生的唯一定位信號(hào)之 間產(chǎn)生頻率相干。定位單元裝置是一個(gè)專用收發(fā)機(jī)，其能夠接收和解 釋來自參考發(fā)射機(jī)、另一個(gè)定位單元裝置或兩者的參考定位信號(hào)。定 位單元裝置包含公共振蕩器。定位單元裝置接收參考定位信號(hào)并且測(cè) 量接收到的參考定位信號(hào)相對(duì)于公共振蕩器的頻率偏移。 一旦頻率偏 移被測(cè)量，定位單元裝置調(diào)整頻率可控時(shí)鐘一個(gè)來自所測(cè)量的頻率偏 移的量。然后定位單元裝置產(chǎn)生一個(gè)唯一定位信號(hào)，其與頻率可控時(shí) 鐘對(duì)齊。此外，定位單元裝置通過將所測(cè)量的頻率偏移應(yīng)用于頻率可 控時(shí)鐘來連續(xù)地調(diào)整所述唯一定位信號(hào)，頻率可控時(shí)鐘也參考定位單 元裝置中包含的公共振蕩器。隨后，調(diào)整后的唯一定位信號(hào)的頻率與
11所接收的參考定位信號(hào)的頻率對(duì)齊。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，頻率可控時(shí)鐘被調(diào)整與所測(cè)量的頻率 偏移的相等的量。
在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)整后的唯一定位信號(hào)被發(fā)送。
在本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)整后的唯一定位信號(hào)作為其 他定位單元裝置的參考定位信號(hào)。
在本發(fā)明的另 一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，頻率可控時(shí)鐘包括通過施加一 個(gè)附加頻率偏移一個(gè)預(yù)定的時(shí)間周期以按時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)所述唯一定位信號(hào) 來調(diào)整所述頻率可控時(shí)鐘的裝置。
在本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例中，參考發(fā)射機(jī)包括定位單元裝 置、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星、偽衛(wèi)星、或其他任 何包含定時(shí)信息的設(shè)備。


圖l是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)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)明的關(guān)于時(shí)間同步的另一個(gè)實(shí)施例的圖示，包含 兩個(gè)自主定位單元裝置網(wǎng)絡(luò)。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。
13系統(tǒng)和方法
圖l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l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 確定的綜合栽波相位(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)栽波相位差。
因?yàn)閺亩ㄎ恍盘?hào)206對(duì)參考發(fā)射機(jī)202時(shí)基的精確時(shí)間同步，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 遲必須進(jìn)行說明。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CPU211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)l: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:同步參考信號(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CPU211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等待考慮與參考定位信號(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 —樣的頻率偏移和隨機(jī)碼相位值，以^^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:同步從信號(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OICP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/>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
17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)得到重新釆用。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)205 PRN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 數(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是在上面所迷的狀態(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/從所有同步
一旦所有的上面狀態(tài)得到實(shí)現(xiàn)，CPU211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。栽波相位 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 置以相同栽波頻率所傳輸?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
19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)?發(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
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
20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) 的發(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1575.42 MHz的GPS Ll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2.4 GHz ISM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2.4 GHz的從定位 信號(hào)時(shí)間同步于1575.42 MHz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
24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
25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。
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。周此，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)栽波頻率將因?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語定位信號(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2.4 GHz 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^L 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)
29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2.4 GHz 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^L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?PRN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O。
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。
1)表明時(shí)間同步狀態(tài)的工具。
31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?機(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
比
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. 一種在接收到的由至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)發(fā)送的參考定位信號(hào)和由定位單元裝置產(chǎn)生的唯一定位信號(hào)之間產(chǎn)生頻率相干的方法，所述方法包括以下步驟a)接收所述參考定位信號(hào)；b)測(cè)量所述接收參考定位信號(hào)相對(duì)于公共振蕩器的頻率偏移；c)調(diào)整頻率可控時(shí)鐘一個(gè)從所述測(cè)量的頻率偏移(b)得到的量；d)產(chǎn)生所述唯一定位信號(hào)，其中所述唯一定位信號(hào)與所述頻率可控時(shí)鐘對(duì)齊；e)通過將所述測(cè)量的頻率偏移(b)應(yīng)用于所述頻率可控時(shí)鐘來連續(xù)調(diào)整所述唯一定位信號(hào)，所述頻率可控時(shí)鐘參考所述公共振蕩器；從而所述調(diào)整的唯一定位信號(hào)的頻率與所述參考定位信號(hào)的頻率對(duì)齊。
2. 如權(quán)利要求1所迷的產(chǎn)生頻率相干的方法，其中所迷頻率可控時(shí) 鐘在步驟(c)中被調(diào)整與所述測(cè)量的頻率偏移(b)相等的量。
3. 如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生頻率相干的方法，其中所述被調(diào)整的定 位唯一信號(hào)被發(fā)送。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述被調(diào)整的唯一定位信號(hào)(e) 作為其他定位單元裝置的參考定位信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生頻率相干的方法，其中所述方法還包括 通過施加附加頻率偏移一個(gè)預(yù)定的時(shí)間段以時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)所述唯一定位信 號(hào)來調(diào)整所述頻率可控時(shí)鐘的步驟。
6. 如權(quán)利要求1所迷的方法，其中所述至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)包括定位單元裝置、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星、偽衛(wèi)星、 或其他任何包含定時(shí)信息的裝置。
7. —種定位單元裝置，用于在接收的由至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)發(fā)送的 參考定位信號(hào)和由所述定位單元裝置產(chǎn)生的唯一定位信號(hào)之間產(chǎn)生頻 率相干，所述定位單元裝置包括a) 用于接收所述參考定位信號(hào)的裝置；b) 用于測(cè)量所述接收的參考定位信號(hào)相對(duì)于公共振蕩器的頻率偏 移的裝置；c) 用于調(diào)整頻率可控時(shí)鐘一個(gè)從所述測(cè)量的頻率偏移(b)得到的量的裝置；d) 用于產(chǎn)生所述唯一定位信號(hào)的裝置，其中所述唯一定位信號(hào)與所述頻率可控時(shí)鐘對(duì)齊；e) 用于通過將所述測(cè)量的頻率偏移(b)應(yīng)用于所述頻率可控時(shí)鐘來 連續(xù)調(diào)整所述唯一定位信號(hào)的裝置，所述頻率可控時(shí)鐘參考所述公共 振蕩器；從而所述調(diào)整的唯一定位信號(hào)的頻率與所述參考定位信號(hào)的頻率 對(duì)齊。
8. 如權(quán)利要求7所述的定位單元裝置，其中所述頻率可控時(shí)鐘在步 驟(c)中被調(diào)整與所述測(cè)量的頻率偏移(b)相等的量。
9. 如權(quán)利要求7所述的定位單元裝置，其中所述被調(diào)整的唯一定位 信號(hào)被發(fā)送。
10. 如權(quán)利要求7所述的定位單元裝置，其中所述被調(diào)整的唯一定 位信號(hào)(e)作為其他定位單元裝置的參考定位信號(hào)。
11. 如權(quán)利要求7所述的定位單元裝置，其中所述頻率可控時(shí)鐘還包括通過施加附加頻率偏移一個(gè)預(yù)定的時(shí)間段以時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)所述唯一定 位信號(hào)來調(diào)整所述頻率可控時(shí)鐘的裝置。
12.如權(quán)利要求7所述的定位單元裝置，其中所述至少一個(gè)參考發(fā) 射機(jī)包括定位單元裝置、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星、 偽衛(wèi)星、或其他任何包含定時(shí)信息的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種系統(tǒng)和方法，用于在接收的由至少一個(gè)參考發(fā)射機(jī)發(fā)送的參考定位信號(hào)和由定位單元裝置產(chǎn)生的唯一定位信號(hào)之間產(chǎn)生頻率相干。定位單元裝置接收參考定位信號(hào)并測(cè)量接收的參考定位信號(hào)相對(duì)于公共振蕩器的頻率偏移。一旦頻率偏移被測(cè)量，該定位單元裝置調(diào)整頻率可控時(shí)鐘一個(gè)從所測(cè)量的頻率偏移得到的量。定位單元裝置然后產(chǎn)生唯一定位信號(hào)，其與頻率可調(diào)時(shí)鐘對(duì)齊。此外，定位單元裝置通過將所述測(cè)量的頻率偏移應(yīng)用于所述頻率可控時(shí)鐘來連續(xù)調(diào)整所述唯一定位信號(hào)，所述頻率可控時(shí)鐘參考所述公共振蕩。隨后，所述調(diào)整的唯一定位信號(hào)的頻率與所述接收的參考定位信號(hào)的頻率對(duì)齊。
文檔編號(hào)G01S1/24GK101487882SQ20081014439
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2002年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月2日
發(fā)明者戴維·斯莫爾 申請(qǐng)人:Qx有限公司