廣域定位系統的制作方法
【專利摘要】描述了用于確定接收器的位置的系統和方法。定位系統包括包含廣播定位信號的發射器的發射器網絡。定位系統包括獲取和跟蹤定位信號和/或衛星信號的遠程接收器。衛星信號是基于衛星的定位系統的信號。遠程接收器的第一模式使用遠程接收器使用定位信號和/或衛星信號計算位置的基于終端的定位。定位系統包括耦合到遠程接收器的服務器。遠程接收器的第二操作模式包括服務器根據定位信號和/或衛星信號計算遠程接收器的位置的基于網絡的定位，其中，遠程接收器接收并向服務器傳遞定位信號和/或衛星信號。
【專利說明】廣域定位系統
[0001] 相關申請
[0002] 本申請是200980142392. 2申請案的分案申請，該母案為PCT/US2009/056572(國 際申請日2009年9月10日）于2011年4月22日進入中國的發明專利申請。
[0003] 本申請要求2008年9月10日提交的美國（US)專利申請61/095, 856號的優先權。
[0004] 本申請要求2009年3月24日提交的US專利申請61/163, 020號的優先權。
【技術領域】
[0005] 本文中的公開一般地涉及定位系統。特別地，本公開涉及一種廣域定位系統。
【背景技術】
[0006] 像全球定位系統（GPS)這樣的定位系統已使用了許多年。然而，在信號狀況不佳 時，這些傳統定位系統會具有劣化的性能。
【發明內容】
[0007] 本申請提供以下發明：
[0008] (1). -種向接收器發射定位信號的方法，用于通過接收器計算該接收器的估計位 置，包括：廣播定位信號，所述定位信號來自發射器網絡中的每個發射器，
[0009] 其中每個定位信號包含：偽隨機數序列和輔助數據，
[0010] 所述發射器使用定時參考進行同步，而且
[0011] 發射器自發地進行定時差調整并提供給所述接收器。
[0012] (2).如（1)所述的方法，所述發射器使用粗略定時參考進行同步。
[0013] (3).如⑴或⑵所述的方法，其中，所述偽隨機數序列是基于自相關函數從其它 偽隨機數序列中選取的，所選取的偽隨機數序列的自相關函數優于其它偽隨機數序列的自 相關函數。
[0014] (4).如⑴?⑶中任一項所述的方法，其中，每個發射器在相同時隙內發射所述 偽隨機數序列。
[0015] (5).如⑴?⑷中任一項所述的方法，其中，來自發射器的第一組發射器中的每 個發射器在時間上與其它發射器錯開到分開的時隙中發射偽隨機數序列。
[0016] (6).如（1)?（5)中任一項所述的方法，其中，發射器的第二組發射器中的每個發 射器在同一時隙中發射序列，并且所述序列包括不同的偽隨機數。
[0017] (7).如（1)?（6)中任一項所述的方法，其中，第一組中每個發射器的載波信號在 頻率上偏移于所述發射器中其它發射器的載波信號。
[0018] (8).如⑴?（7)中任一項所述的方法，其中，所述輔助數據包括如下列舉中的至 少1種：波形脈沖的上升沿的系統時間、波形脈沖的下降沿的系統時間、發射器的地理編碼 數據、相鄰發射器的地理編碼數據、鄰近發射器中至少1個發射器使用的序列的索引、至少 1個發射器的時鐘定時校正、本地大氣校正、WAPS定時對于GNSS時間的關系、用以在偽距分 辨中協助接收器的本地環境的指示、從一組偽隨機數序列的至少一種偏移、來自一組發射 器的一系列偽隨機數序列、和使用特殊偽隨機數序列的一些列發射器。
[0019] (9).如⑴?⑶中任一項所述的方法，其中，來自不同發射器的發送之間的定時 差被發射。
[0020] (10).如⑴?（9)中任一項所述的方法，其中
[0021] 發射器的布置能夠使接收器接收來自至少3個發射器的信號，而且每個接收器位 置的幾何精度衰減因子小于閾值，
[0022] 每個發射器的位置由最小化的函數所決定，所述最小化的函數是覆蓋體積上幾何 精度衰減因子的平方的體積積分，
[0023] 在所述定位系統中，所述體積積分相對于接收器位置的所有可能的坐標，
[0024] 所述最小化的函數相對于覆蓋體積中特定覆蓋區的多個可能的發射器位置中的 發射器位置坐標。
[0025] (11).如⑴?（10)中任一項所述的方法，其中，根據覆蓋區的性能質量對所述函 數進行加權。
[0026] (12).如⑴?（11)中任一項所述的方法，其中，各發射器的時間校正被提供給接 收器。
[0027] (13).如⑴?（12)中任一項所述的方法，其中，至少1個參考接收器從各發射器 接收信號波形，并且使用所接受的信號波形為每個發射器做時間標簽偽距測量。
[0028] (14).如⑴?（13)中任一項所述的方法，其中，利用與每個發射器相對應的定時 差和偽距測量進行定時差校正。
[0029] (15).如⑴?（14)中任一項所述的方法，包括將定時差校正應用到發射器的信 號。
[0030] (16).如⑴?（15)中任一項所述的方法，其中，GNSS定時接收器與發射器網絡 中的一組發射器中的每個發射器位于同一位置，
[0031] 所述GNSS定時接收器從參考接收器接收差分校正，并利用差分校正為該組發射 器產生定時差校正。
[0032] (17).如（1)?（16)中任一項所述的方法，其中，來自發射器的一組發射器利用時 間傳遞與該組發射器的公共觀測中的GNSS衛星為該組發射器產生定時差校正。
[0033] (18).如⑴?（17)中任一項所述的方法，其中，一組GNSS接收器中的每一個均 作為本地時間參數對應于該組發射器中的對應發射器，利用在得出定時脈沖中的至少1個 普通GNSS衛星來對準GNSS時間。
[0034] (19).如⑴?（18)中任一項所述的方法，其中，每個發射器發射相對于GNSS時 間的偏差，并且所述方法包括致使定時校正含有即將產生的偏差和GNSS時間。
[0035] (20).如⑴?（19)中任一項所述的方法，其中，所述定位信號包括定時同步和對 應校正信息。
[0036] (21).如⑴?（20)中任一項所述的方法，其中，每個發射器發射與GNSS相關聯 的內置輔助數據的數據流的PRN序列。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037] 圖1是根據實施例的廣域定位系統的框圖。
[0038] 圖2是根據實施例的同步信標的框圖。
[0039] 圖3是根據實施例的使用轉發器結構的定位系統的框圖。
[0040] 圖4是根據替選實施例的使用轉發器結構的定位系統的框圖。
[0041] 圖5示出根據實施例的塔同步。
[0042] 圖6是根據實施例的GPS規范的PPS生成器的框圖。
[0043] 圖7是根據實施例的GPS規范的振蕩器。
[0044] 圖8示出根據實施例的用于計數PPS與使得發射器的模擬部件能夠發送數據的信 號之間時間差的信號圖。
[0045] 圖9是根據實施例的差分WAPS系統的框圖。
[0046] 圖10示出根據實施例的公共觀看時間傳遞。
[0047] 圖11示出根據實施例的雙向時間傳遞。
[0048] 圖12是根據實施例的接收器單元的框圖。
[0049] 圖13是根據實施例的RF模塊的框圖。
[0050] 圖14示出根據實施例的信號上變頻和/或下變頻。
[0051] 圖15是示出根據實施例的定位系統中時鐘共享的框圖。
[0052] 圖16是根據實施例的從WAPS到GNSS接收器的輔助傳遞的框圖。
[0053] 圖17是示出根據實施例的從GNSS接收器到WAPS接收器的協助信息傳遞的框圖。
[0054] 圖18是根據實施例的從WAPS接收器提供WAPS輔助信息的實例結構。
[0055] 圖19是根據實施例的用于估計h[n]中的最早到達路徑的流程圖。
[0056] 圖20是根據實施例的用于估計參考相關函數的流程圖。
[0057] 圖21是根據實施例的用于估計噪聲子空間的流程圖。
[0058] 圖22是根據替選實施例的用于估計噪聲子空間的流程圖。
[0059] 圖23是根據另一替選實施例的用于估計噪聲子空間的流程圖。
[0060] 圖24是根據又一替選實施例的用于估計噪聲子空間的流程圖。
[0061] 圖25是根據再一替選實施例的用于估計噪聲子空間的流程圖。
[0062] 圖26是根據實施例的使用來自各種系統的范圍測量的混合位置估計的框圖。
[0063] 圖27是根據實施例的使用來自各種系統的位置估計的混合位置估計的框圖。
[0064] 圖28是根據實施例的使用來自各種系統的范圍和位置估計的組合的混合位置估 計的框圖。
[0065] 圖29是根據實施例的用于確定混合位置解的流程圖，其中，反饋來自WAPS/GNSS 系統的位置/速度估計以在速度估計和/或GNSS/WAPS位置的質量良好時不時幫助校準傳 感器的漂移偏差。圖30是根據實施例的用于確定混合位置解的流程圖，其中，在不需要明 確返回的情況下作為GNSS和/或WAPS單元中的位置/速度計算的一部分估計傳感器參數 (諸如偏差、規模和漂移）。
[0066] 圖31是根據實施例的用于確定混合位置解的流程圖，其中，將傳感器校準與各位 置計算單元分開。
[0067] 圖32是根據實施例的用于確定混合位置解的流程圖，其中，作為各位置計算單元 的狀態的一部分進行傳感器參數估計。
[0068] 圖33示出根據實施例的WAPS與其它系統之間信息的交換。
[0069] 圖34是示出根據實施例的FM接收器與WAPS接收器之間地點、頻率和時間估計的 交換的框圖。
[0070] 圖35是示出根據實施例的WLAN/BT收發器與WAPS接收器之間地點、時間和頻率 估計的交換的框圖。
[0071] 圖36是示出根據實施例的蜂窩收發器與WAPS接收器之間地點、時間和頻率估計 的交換的框圖。
[0072] 圖37是根據實施例的會話密鑰設立的框圖。
[0073] 圖38是根據實施例的加密的流程圖。
[0074] 圖39是根據替選實施例的加密的安全性架構的框圖。
【具體實施方式】
[0075] 描述了用于確定接收器的位置的系統和方法。實施例的定位系統包括：包括廣播 定位信號的發射器的發射器網絡。定位系統包括獲取和跟蹤定位信號和/或衛星信號的遠 程接收器。衛星信號是基于衛星的定位系統的信號。遠程接收器的第一模式使用遠程接收 器使用定位信號和/或衛星信號計算位置的基于終端的定位。定位系統包括耦合到遠程接 收器的服務器。遠程接收器的第二操作模式包括這樣的基于網絡的定位：服務器根據定位 信號和/或衛星信號計算遠程接收器的位置，其中，遠程接收器接收并向服務器傳遞定位 信號和/或衛星信號。
[0076] 實施例的確定位置的方法包括在遠程接收器處接收定位信號和衛星信號中至少 之一。從包括多個發射器的發射器網絡接收定位信號。從基于衛星的定位系統接收衛星信 號。方法包括使用基于終端的定位和基于網絡的定位中的一個確定遠程接收器的位置。基 于終端的定位包括使用定位信號和衛星信號中至少之一在遠程接收器處計算遠程接收器 的位置。基于網絡的定位包括使用定位信號和衛星信號中至少之一在遠程服務器處計算遠 程接收器的位置。
[0077] 在以下描述中，引入了大量具體細節以提供對描述的系統和方法的全面理解、以 及實現描述。然而，相關領域的技術人員將會認識到：可以在不具有具體細節中的一個或更 多個細節的情況下、或者利用其它部件、系統等實踐這些實施例。在其它實例中，未示出、或 者未詳細描述公知結構或操作，以避免妨礙公開的實施例的方面。
[0078] 圖1是根據實施例的定位系統的框圖。定位系統，在本文中也稱作廣域定位系統 (WAPS)或者"系統"，包括同步信標的網絡、獲取和跟蹤信標和/或全球定位系統（GPS)衛 星的接收器單元（可選地，具有地點計算引擎）、以及包括塔索引、計費接口、專有加密算法 (可選地，地點計算引擎）的服務器。系統在操作的許可/未許可波段中操作，并且發送專 有波形以用于標定目的和導航目的。可以結合其它定位系統使用WAPS系統以求較好的地 點標定方案或者可以使用WAPS系統協助其它定位系統。在本文件的上下文中，定位系統是 標定緯度、經度和海拔坐標中的一個或更多個的系統。
[0079] 在本文件中，每當引用"GPS"時，均為GNSS(全球導航衛星系統）的較廣泛意 義，GNSS可以包括諸如Glonass的其它已有衛星定位系統以及諸如Galileo和Compass/ Beidou的未來定位系統。
[0080] 圖2是根據實施例的同步信標的框圖。實施例的同步信標，在本文中也稱作信標， 形成CDMA網絡，且每個信標通過嵌入式輔助數據發送諸如哥爾德（Gold)碼序列的具有良 好互相關屬性的偽隨機數（PRN)序列。可替選地，可以將來自每個信標發射器的序列以 TDMA格式在時間上錯開到分開的時隙中。
[0081] 在地面定位系統中，要克服的主要挑戰之一是遠近問題，其中，在接收器處，遠離 的發射器將會被附近的發射器阻塞。為了解決該問題，實施例的信標使用CDMA和TDMA技 術的組合，其中，本地發射器可以使用分開的時隙（TDMA)(可選地，不同碼（CDMA))以減輕 遠近問題。將會允許進一步更遠的發射器在使用不同CDMA碼的情況下使用相同的TDMA時 隙。這允許系統的廣域可量測性。TDMA時隙可以是對確保的遠近性能確定性的或者隨機的 以提供良好的平均遠近性能。還可以使載波信號偏移一些赫茲（例如，Gold碼重復頻率的 分數），以改進碼的互相關性能以解決任何"遠近"問題。當兩個塔使用相同的TDMA時隙但 是不同的碼時，可以通過在檢測到較弱信號之前使用較強信號的干擾消除進一步抵抗接收 器中的互相關。
[0082] TDMA系統中的另一重要參數是TDMA時隙時段（也稱為TDMA幀）。具體地，在WAPS 系統中，TDMA幀持續時間是同一發射器的兩個連續時隙之間的時段。通過覆蓋區域中定位 需要的發射器時隙的數量和TDMA時隙持續時間的乘積確定TDMA幀持續時間。通過靈敏度 要求確定TDMA時隙持續時間，雖然靈敏度不必由單個TDMA時隙限制。一個實例結構可以 使用1秒作為TDMA幀持續時間以及100ms作為TDMA時隙持續時間。
[0083] 另外，實施例的信標可以使用包括輔助數據的前導碼或者可以用于信道估計和前 向檢錯和/或校正的信息，以幫助使得數據健壯。實施例的輔助數據包括但不限于以下內 容中的一個或更多個：在波形脈沖的上升沿或者下降沿的精確系統時間；塔的地理編碼數 據（緯度、經度和海拔）；區域中各種發射器使用的序列的索引和相鄰塔的地理編碼信息； 對發射器（可選）和鄰近發射器的時鐘定時校正；本地大氣校正（可選）；WAPS定時對于 GNSS時間的關系（可選）；用以在偽距分辨（resolution)中協助接收器的城區、半城區、鄉 村環境的指示（可選）；以及從索引或PN序列的基本索引至Gold碼序列的偏移。在廣播 的發送數據幀中，可以包括這樣的字段：包括用以因安全和/或許可管理原因停用單個或 一組接收器的信息。
[0084] 將來自實施例的不同信標和塔的發送的發送波形定時同步到公共定時參考。可替 選地，應當知道和發送來自不同塔的發送之間的定時差。以通過數據塊的尺寸和數量確定 的間隔重復輔助數據，將以規則間隔遞增的定時消息例外。可以使用專有加密算法加密輔 助數據，如本文中詳細描述的。還可以加密擴頻碼以求附加的安全性。在預定義的頻率上 變頻和廣播信號。準確校準發射器中的端到端延遲以確保信標之間的差分延遲小于大約3 納秒。在偵聽一組發射器的探測地點處使用差分WAPS接收器，可以找到對該組中發射器的 相對時鐘校正。
[0085] 優化實施例的塔布置以求覆蓋和地點準確性。將會以這樣的方式布置塔的部署： 在網絡內以及網絡邊緣處得地點中的大多數地點中從3個或更多個塔接收信號，使得這些 地點中每一個地點中的幾何精度衰減因子（GD0P)小于基于準確性需要的預定閾值。將會 增強進行RF規劃研究的軟件程序以包括對網絡中和周圍的GD0P的分析。GD0P是接收器 位置和發射器位置的函數。在網絡規劃中結合⑶0P的一個方法是如下設立優化。要最
【權利要求】
1. 一種向接收器發射定位信號的方法，用于通過接收器計算該接收器的估計位置，包 括：廣播定位信號，所述定位信號來自發射器網絡中的每個發射器， 其中每個定位信號包含：偽隨機數序列和輔助數據， 所述發射器使用定時參考進行同步，而且 發射器自發地進行定時差調整并提供給所述接收器。
2. 如權利要求1所述的方法，所述發射器使用粗略定時參考進行同步。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述偽隨機數序列是基于自相關函數從其它偽隨 機數序列中選取的，所選取的偽隨機數序列的自相關函數優于其它偽隨機數序列的自相關 函數。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，每個發射器在相同時隙內發射所述偽隨機數序列。
5. 如權利要求1所述的方法，其中，來自發射器的第一組發射器中的每個發射器在時 間上與其它發射器錯開到分開的時隙中發射偽隨機數序列。
6. 如權利要求5所述的方法，其中，發射器的第二組發射器中的每個發射器在同一時 隙中發射序列，并且所述序列包括不同的偽隨機數。
7. 如權利要求5所述的方法，其中，第一組中每個發射器的載波信號在頻率上偏移于 所述發射器中其它發射器的載波信號。
8. 如權利要求2所述的方法，其中，所述輔助數據包括如下列舉中的至少1種：波形脈 沖的上升沿的系統時間、波形脈沖的下降沿的系統時間、發射器的地理編碼數據、相鄰發射 器的地理編碼數據、鄰近發射器中至少1個發射器使用的序列的索引、至少1個發射器的時 鐘定時校正、本地大氣校正、WAPS定時對于GNSS時間的關系、用以在偽距分辨中協助接收 器的本地環境的指不、從一組偽隨機數序列的至少一種偏移、來自一組發射器的一系列偽 隨機數序列、和使用特殊偽隨機數序列的一些列發射器。
9. 如權利要求1所述的方法，其中，來自不同發射器的發送之間的定時差被發射。
10. 如權利要求1所述的方法，其中 發射器的布置能夠使接收器接收來自至少3個發射器的信號，而且每個接收器位置的 幾何精度衰減因子小于閾值， 每個發射器的位置由最小化的函數所決定，所述最小化的函數是覆蓋體積上幾何精度 衰減因子的平方的體積積分， 在所述定位系統中，所述體積積分相對于接收器位置的所有可能的坐標， 所述最小化的函數相對于覆蓋體積中特定覆蓋區的多個可能的發射器位置中的發射 器位置坐標。
【文檔編號】G01S19/11GK104122564SQ201410301460
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2009年9月10日 優先權日:2008年9月10日
【發明者】加內什·帕塔比拉曼, 蘇布拉馬尼安·梅亞潘, 阿倫·拉古帕蒂, 哈里·桑卡爾 申請人:耐克斯特納威公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
