本發(fā)明涉及用于在動態(tài)位置網絡中在時間上同步定位信號的方法和設備，其中定位信號的源中的一個或多個相對于彼此移動。然而應當理解的是，本發(fā)明不限制于這種具體的使用領域。

相關申請

本申請要求來自2014年7月25日提交的澳大利亞臨時專利申請No 2014902899的優(yōu)先權，該臨時專利申請的內容通過引用整體結合于本文之中。

背景技術：

貫穿本說明書的現(xiàn)有技術的任何討論不應該以任何方式被看作是承認這些現(xiàn)有技術是眾所周知的或者形成本領域公知常識的一部分。

標題為“A Method and Device for Chronologically Synchronizing a Location Network(用于在時間上同步位置網絡的方法和設備)”的已公布PCT申請No WO 03/038469 A1(其內容通過引用結合于本文之中)公開了用于使用從被稱為定位單元設備的陸基發(fā)射機的同步網絡所發(fā)射的定位信號而為移動裝置生成精確的方位確定的方法和系統(tǒng)。這些方法和系統(tǒng)的關鍵是所謂的鎖時環(huán)(Time Lock Loop，TLL)，其直接地測量和校正每一個定位單元設備中的定時誤差，從而建立和維護發(fā)射定位信號的定位單元設備的網絡，這些定位信號在時間上同步到指定的參考發(fā)射機的時間基準。一旦給定的定位單元設備已經同步到指定的參考發(fā)射機的時間基準，它就能夠將網絡時間基準中繼到不具有指定的參考發(fā)射機的清晰視域(view)的另外的定位單元設備，從而通過定位單元設備的擴展的網絡傳播時間基準。鎖時環(huán)一旦建立就極其魯棒，諸如溫度與電壓改變的擾動不會影響同步。

然而WO 03/038469 A1中所公開的TLL方法論要求參考發(fā)射機和定位單元設備處在相對于參考坐標系已知并且固定的位置中。通常參考發(fā)射機和定位單元設備是陸基的，盡管定位單元設備接收來自地球靜止軌道中的衛(wèi)星(諸如，廣域增強系統(tǒng)(WAAS)衛(wèi)星)的參考定位信號也是有可能的。如果參考發(fā)射機和定位單元設備相對于彼此移動，那么多普勒頻移將被施加在由定位單元設備所接收的參考定位信號上。該多普勒效應將與時鐘漂移不能區(qū)分，因為多普勒效應和時鐘漂移這兩者都表現(xiàn)為頻率改變。因此在試圖將它自己同步到參考發(fā)射機中，定位單元設備將錯誤地擺動它的時鐘，嚴重地降低由移動裝置所計算的方位解決方案的準確度。因此非常期望用于同步動態(tài)位置網絡的方法和設備，以使得能夠對于接收來自定位單元設備的網絡的信號的移動裝置計算準確的方位解決方案，其中定位單元設備中的一個或多個相對于其它定位單元設備移動。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的是克服或改善現(xiàn)有技術中的至少一個缺點，或者提供有用的替代。

在優(yōu)選形式中本發(fā)明的目的是提供用于在參考發(fā)射機與定位單元設備相對于彼此移動的情形中將定位單元設備同步到參考發(fā)射機的時間基準的方法。

在優(yōu)選形式中本發(fā)明的另一目的是提供用于在參考發(fā)射機與定位單元設備相對于彼此移動的情形中，在由參考發(fā)射機與由定位單元設備發(fā)射的定位信號之間生成頻率相干(frequency coherence)的方法。

在優(yōu)選形式中本發(fā)明的另一個目的是提供能夠為接收來自定位單元設備的網絡的信號的移動裝置生成準確方位解決方案的定位系統(tǒng)，其中定位單元設備中的一個或多個相對于其它定位單元設備移動。

技術實現(xiàn)要素：

根據本發(fā)明的第一方面，提供了將由定位單元設備生成的獨特定位信號在時間上同步到由參考發(fā)射機生成的參考定位信號的方法，其中所述定位單元設備和所述參考發(fā)射機相對于彼此移動，所述方法包括以下步驟：

a)所述定位單元設備接收和解釋所述參考定位信號；

b)所述定位單元設備生成和發(fā)射獨特定位信號，其中所述獨特定位信號與引導(steered)發(fā)射機時鐘對準；

c)所述定位單元設備接收和解釋所述獨特定位信號；

d)所述定位單元設備測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的頻率差；

e)所述定位單元設備估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應；

f)所述定位單元設備通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率；

g)所述定位單元設備測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的時間差；

h)所述定位單元設備估計所述參考接收機與所述定位單元設備之間的參考信號傳播延遲；以及

i)所述定位單元設備的根據測量的時間差和估計的參考信號傳播延遲調整所述獨特定位信號的生成，

其中所述定位單元設備從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應和所述參考信號傳播延遲，使得所述獨特定位信號在時間上同步到所述參考定位信號。

優(yōu)選地，步驟d)到f)被重復地執(zhí)行。在某些實施例中步驟g)到i)被重復地執(zhí)行。

參考發(fā)射機優(yōu)選地使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據，并且廣播該軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。優(yōu)選地，定位單元設備使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。軌跡數據優(yōu)選地包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，定位單元設備利用預測性例程估計多普勒效應或參考信號傳播延遲。

根據本發(fā)明的第二方面，提供了在由參考發(fā)射機生成的參考定位信號與由定位單元設備生成的獨特定位信號之間生成頻率相干的方法，其中所述定位單元設備和所述參考發(fā)射機相對于彼此移動，所述方法包括以下步驟：

a)所述定位單元設備接收和解釋所述參考定位信號；

b)所述定位單元設備生成和發(fā)射獨特定位信號，其中所述獨特定位信號與引導發(fā)射機時鐘對準；

c)所述定位單元設備接收和解釋所述獨特定位信號；

d)所述定位單元設備測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的頻率差；

e)所述定位單元設備估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應；以及

f)所述定位單元設備通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率，

其中所述定位單元設備從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應，使得所述獨特定位信號與所述參考定位信號頻率相干。

步驟d)到f)優(yōu)選地被重復地執(zhí)行。

參考發(fā)射機優(yōu)選地使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據，并且廣播該軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。優(yōu)選地，定位單元設備使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。優(yōu)選地，軌跡數據包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，定位單元設備利用預測性例程估計多普勒效應。

根據本發(fā)明的第三方面，提供了用于將由定位單元設備生成的獨特定位信號在時間上同步到由參考發(fā)射機生成的參考定位信號的所述定位單元設備，其中所述定位單元設備和所述參考發(fā)射機相對于彼此移動，所述定位單元設備包括：

a)用于接收和解釋所述參考定位信號的構件；

b)用于生成和發(fā)射所述獨特定位信號的構件，其中所述獨特定位信號與引導發(fā)射機時鐘對準；

c)用于接收和解釋所述獨特定位信號的構件；

d)用于測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的頻率差的構件；

e)用于估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應的構件；

f)用于通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率的構件；

g)用于測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的時間差的構件；

h)用于估計所述參考接收機與所述定位單元設備之間的參考信號傳播延遲的構件；以及

i)用于根據測量的時間差和估計的參考信號傳播延遲調整所述獨特定位信號的生成的構件，

其中所述定位單元設備從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應和所述參考信號傳播延遲，使得所述獨特定位信號在時間上同步到所述參考定位信號。

優(yōu)選地，定位單元設備適合于重復地執(zhí)行步驟d)到f)。在某些實施例中，定位單元設備適合于重復地執(zhí)行步驟g)到i)。

在優(yōu)選的實施例中，定位單元設備適合于使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。軌跡數據優(yōu)選地包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，用于估計多普勒效應的構件、或者用于估計參考信號傳播延遲的構件適合于利用預測性例程。

根據本發(fā)明的第四方面，提供了用于在由參考發(fā)射機生成的參考定位信號與由定位單元設備生成的獨特定位信號之間生成頻率相干的所述定位單元設備，其中所述定位單元設備和所述參考發(fā)射機相對于彼此移動，所述定位單元設備包括：

a)用于接收和解釋所述參考定位信號的構件；

b)用于生成和發(fā)射所述獨特定位信號的構件，其中所述獨特定位信號與引導發(fā)射機時鐘對準；

c)用于接收和解釋所述獨特定位信號的構件；

d)用于測量接收的參考定位信號與接收的獨特定位信號之間的頻率差的構件；

e)用于估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應的構件；

f)用于通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率的構件，

其中所述定位單元設備從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應，使得所述獨特定位信號與所述參考定位信號頻率相干。

定位單元設備優(yōu)選地適合于重復地執(zhí)行步驟d)到f)。

在優(yōu)選的實施例中，定位單元設備適合于使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。軌跡數據優(yōu)選地包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，用于估計多普勒效應的構件適合于利用預測性例程。

根據本發(fā)明的第五方面，提供了用于在包括一個或多個參考發(fā)射機和一個或多個定位單元設備的位置網絡中確定流動方位接收機的方位的方法，其中，所述定位單元設備中的至少一個定位單元設備作為它自己的移動結果或者參考發(fā)射機的移動結果相對于參考發(fā)射機移動，所述方法包括以下步驟：

a)所述一個或多個參考發(fā)射機中的每一個根據所述一個或多個參考發(fā)射機的時間基準生成和發(fā)射參考定位信號；

b)相對于參考發(fā)射機移動的所述至少一個定位單元設備中的每一個：

i)接收和解釋一個或多個參考定位信號；

ii)生成和發(fā)射獨特定位信號，其中所述獨特定位信號與引導發(fā)射機時鐘對準；

iii)接收和解釋所述獨特定位信號；

iv)測量接收的一個或多個參考定位信號中的每一個與接收的獨特定位信號之間的頻率差；

v)估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應；

vi)通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率；

vii)測量接收的一個或多個參考定位信號中的每一個與接收的獨特定位信號之間的時間差；

viii)估計所述一個或多個參考接收機中的每一個與該定位單元設備自己之間的參考信號傳播延遲；以及

ix)根據測量的時間差和估計的參考信號傳播延遲調整所述獨特定位信號的生成，

其中相對于參考發(fā)射機移動的所述至少一個定位單元設備中的每一個從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應和所述參考信號傳播延遲，使得所述獨特定位信號在時間上同步到所述一個或多個參考定位信號；以及

c)所述流動方位接收機：

接收在時間上同步的獨特定位信號、或者所述一個或多個參考定位信號、或者這兩者；以及

隨后計算它自己的方位。

優(yōu)選地，步驟b)iv)到b)vi)被重復地執(zhí)行。在某些實施例中步驟b)vii)到b)ix)被重復地執(zhí)行。

在優(yōu)選的實施例中，移動的每一個參考發(fā)射機或定位單元設備使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據，并且廣播該軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。軌跡數據優(yōu)選地包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，相對于參考發(fā)射機移動的至少一個定位單元設備中的每一個利用預測性例程估計多普勒效應或參考信號傳播延遲。在某些實施例中，流動方位接收機利用預測性例程估計移動的每一個定位單元設備或參考發(fā)射機的位置或速度。

根據本發(fā)明的第六方面，提供了用于使得流動方位接收機能夠確定它自己的方位的定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)包括位置網絡和流動方位接收機，所述位置網絡包括：

a)一個或多個參考發(fā)射機，每一個被配置為根據所述一個或多個參考發(fā)射機的時間基準生成和發(fā)射參考定位信號；以及

b)一個或多個定位單元設備，所述一個或多個定位單元設備中的至少一個定位單元設備作為它自己的移動結果或參考發(fā)射機的移動結果相對于參考發(fā)射機移動，這些定位單元設備中的每一個包括：

i)用于接收和解釋一個或多個參考定位信號的構件；

ii)用于生成和發(fā)射獨特定位信號的構件，其中所述獨特定位信號與引導發(fā)射機時鐘對準；

iii)用于接收和解釋所述獨特定位信號的構件；

iv)用于測量接收的參考定位信號中的每一個與接收的獨特定位信號之間的頻率差的構件；

v)用于估計與相對移動相關聯(lián)的多普勒效應的構件；

vi)用于通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應所得到的量調整所述引導發(fā)射機時鐘的頻率的構件；

vii)用于測量接收的參考定位信號中的每一個與接收的獨特定位信號之間的時間差的構件；

viii)用于估計所述至少一個參考接收機與該定位單元設備自己之間的參考信號傳播延遲的構件；以及

ix)用于根據測量的時間差和估計的參考信號傳播延遲調整所述獨特定位信號的生成的構件，

其中該定位單元設備從所述參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計所述多普勒效應和所述參考信號傳播延遲，使得所述獨特定位信號在時間上同步到所述一個或多個參考定位信號；

c)所述流動方位接收機包括：

i)用于接收在時間上同步的獨特定位信號或者參考定位信號或者這兩者的構件；以及

ii)用于隨后計算它自己的方位的構件。

優(yōu)選地，相對于參考發(fā)射機移動的每一個定位單元設備適合于重復地執(zhí)行步驟b)iv)到b)vi)。在某些實施例中，相對于參考發(fā)射機移動的每一個定位單元設備適合于重復地執(zhí)行步驟b)vii)到b)ix)。

優(yōu)選地，移動的每一個參考發(fā)射機或定位單元設備適合于使用下述中的一個或多個測量它自己的軌跡數據，并且廣播該軌跡數據：慣性導航系統(tǒng)；來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號；或者來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號。軌跡數據優(yōu)選地包括位置信息、速度信息和加速度信息中的一個或多個。在某些實施例中，軌跡數據包括位置、速度和加速度中的一個或多個的預測。

在某些實施例中，用于估計多普勒效應的構件、或者用于估計參考信號傳播延遲的構件適合于利用預測性例程。在某些實施例中，流動方位接收機適合于利用預測性例程估計移動的每一個定位單元設備或參考發(fā)射機的位置或速度。

根據本發(fā)明的第七方面，提供了根據第三方面的定位單元設備，當在位置網絡中使用時用于確定流動方位接收機的方位。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖僅通過示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中：

圖1圖示出使得定位單元設備能夠將它的定位信號同步到參考發(fā)射機時間基準的靜止參考發(fā)射機向靜止定位單元設備廣播的傳統(tǒng)情形；

圖2圖示出包括向多個靜止定位單元設備廣播的靜止參考發(fā)射機、與能夠使用接收的定位信號確定單點方位解決方案的流動方位接收機的現(xiàn)有技術定位系統(tǒng)；

圖3圖示出參考發(fā)射機向定位單元設備廣播的動態(tài)情形，其中參考發(fā)射機和定位單元設備相對于彼此移動；

圖4是示出根據本發(fā)明的實施例的用于在動態(tài)位置網絡中移動平臺的同步過程的步驟的流程圖；

圖5是示出根據本發(fā)明的另一個實施例的用于動態(tài)位置網絡中的移動平臺的同步過程的步驟的流程圖；以及

圖6圖示出根據本發(fā)明的實施例的定位系統(tǒng)，包括以下形式的動態(tài)位置網絡：多個定位單元設備相對于彼此移動，以及流動方位接收機能夠使用接收的定位信號計算單點方位解決方案。

具體實施方式

現(xiàn)有技術同步過程的概述

將參考圖1簡單地討論上述WO 03/038469 A1中詳細公開的鎖時環(huán)(TLL)過程。處在關于參考坐標系(諸如，地心地固(ECEF)坐標系)的固定與已知的位置中的定位單元設備2接收由處在另一個固定與已知的位置中的參考發(fā)射機6發(fā)射的參考定位信號4，并且將它自己同步到由參考發(fā)射機的內部生成的時鐘8所確定的時間基準。定位單元設備2包含有接收機10、發(fā)射機12、引導發(fā)射機時鐘14和CPU 16，以及為其他部件提供共同時間基準的振蕩器18。一旦定位單元設備接收到參考定位信號4，它就從它的發(fā)射機12發(fā)射獨特定位信號20的從版本，該從版本由它的接收機10接收。參考定位信號4和從定位信號20中的每一個具有載波成分、偽隨機碼成分和數據成分，偽隨機碼成分和數據成分對于每一個設備是獨特的。接收機10同時接收和采樣參考定位信號4與從定位信號20并且測量這兩個信號之間的集成載波相位(ICP)差。CPU 16使接收機10內的參考定位信號4與從定位信號20兩者的ICP測量結果歸零，然后參與向引導發(fā)射機時鐘14不斷地施加校正的控制回路以將ICP差維持在零，使得從定位信號20實現(xiàn)和維持與參考定位信號4的頻率相干。

頻率相干是TLL同步過程中的重要階段，因為一旦參考定位信號與從定位信號的載波頻率被對準，這兩個信號的偽隨機成分與數據成分之間所觀察到的時間差就變成恒定。這個時間差包括根據定位單元設備天線21與參考發(fā)射機天線23之間的已知幾何距離22所計算的傳播時間延遲、和定位單元設備引導發(fā)射機時鐘14與參考發(fā)射機時鐘8之間的時間基準偏移(或時間偏置)。這個計算允許這兩個信號進入時間上的對準。在優(yōu)選的實施例中，定位單元設備在兩階段過程中實現(xiàn)時間偏置校正，該兩階段過程包括關于偽隨機碼的粗擺動(即，暫時地以更快或更慢的速率對其發(fā)射機12的偽隨機碼生成器計時)，之后將附加頻率偏移施加到引導發(fā)射機時鐘14達預定時間段。傳播時間延遲可以在任何一個階段被考慮。

當從定位信號20具有與參考定位信號4的頻率相干并且與參考發(fā)射機的時間基準在時間上對準時，它完全同步到參考發(fā)射機的時間基準并且由發(fā)射的獨特定位信號24所表示。重要地，TLL中的差分過程消除了由接收機電子器件或溫度變化所引起的任何接收機線偏置或組延遲。參考圖2，位于包括參考發(fā)射機6與在時間上同步的定位單元設備2-1、2-2的位置網絡內的、流動方位接收機26形式的移動裝置能夠接收來自定位單元設備的獨特定位信號24-1、24-2、或者能夠接收來自參考發(fā)射機6的參考定位信號4、或者能夠接收這兩者，并且自主地計算基于碼和載波的方位解決方案這兩者。更通常地，流動方位接收機能夠利用來自視域內的任何同步的定位單元設備(可能包括指定的參考發(fā)射機)的定位信號來計算方位解決方案。典型地要求來自三個或更多個定位單元設備和/或參考發(fā)射機的信號，盡管在某些情形中有可能從少于三個定位信號計算方位解決方案。例如，如果流動方位接收機具有與位置網絡的時間基準有已知關系的高度準確的時鐘，那么它能夠僅從兩個定位信號計算二維方位解決方案。

定位單元設備從兩個或更多個時間同步的參考發(fā)射機接收參考定位信號也是有可能的。在這種配置中，能夠在參考發(fā)射機之間平均參考信號誤差源(諸如，多徑和對流層延遲)以提高時間基準準確度。在時間上同步的定位系統(tǒng)的進一步實現(xiàn)細節(jié)(例如，關于CDMA定位信號的發(fā)射和解釋的細節(jié)以及關于設備硬件的細節(jié))在上述PCT公布WO 03/038469 A1中描述。如這里所描述的，定位信號典型地是射頻(RF)信號。

現(xiàn)有技術同步過程的局限性

圖3示出了動態(tài)情形，其中參考發(fā)射機6和定位單元設備2相對于彼此移動，如通過表示參考發(fā)射機和/或定位單元設備相對于參考坐標系的移動的箭頭28、29所描繪的那樣。這個相對運動對以上描述的TLL同步過程具有兩個有害效果。首先并且更顯然的，參考發(fā)射機天線23與定位單元設備天線21之間的距離22以及因此參考定位信號4的傳播時間延遲變?yōu)槭强勺兊?。這影響將定位單元設備2的獨特定位信號24在時間上對準參考發(fā)射機6的時間基準所要求的時間基準校正。其次，相對運動在參考定位信號4上施加多普勒頻移，從定位單元設備2的角度來看該多普勒頻移與它的振蕩器18的漂移不能區(qū)分。通常，相對運動將引起接收的參考定位信號4的頻率變化，阻礙ICP差分過程在兩個定位信號之間正確地建立頻率相干。在如圖2所示的定位系統(tǒng)的上下文中，作為結果的同步誤差，連同定位單元設備2-1、2-2或參考發(fā)射機6中的一個或多個的時變位置，嚴重地劣化由流動方位接收機26計算的方位解決方案。

動態(tài)同步過程

于是，結果是在有移動平臺的動態(tài)環(huán)境(諸如，包括多個移動定位單元設備的位置網絡，多個移動定位設備中的一個可以被指定為參考發(fā)射機)中，必須修改以上描述的同步過程以考慮定位單元設備和/或參考發(fā)射機之間的相對運動。動態(tài)環(huán)境的一個示例是安裝在車輛上的多個定位單元設備，例如用于緊急服務或執(zhí)法目的。在另一個示例中，移動平臺(諸如，飛行器)可以在以傳統(tǒng)方式使用來自固定的陸基定位單元設備的同步網絡的定位信號確定它的方位后，通過將它自己的獨特定位信號與網絡時間基準同步而尋求加入網絡。在這種情況中，移動平臺能夠將同步的陸基定位單元設備中的任何一個、或者關于另一個移動平臺的同步的定位單元設備視為參考發(fā)射機。在又一個示例中，一個或多個固定的陸基定位單元設備能夠使用來自與地球旋轉不同步的衛(wèi)星(諸如，GPS衛(wèi)星)的定位信號作為參考。

出于本說明書的目的，我們將會把修改的同步過程稱作“動態(tài)鎖時環(huán)”(動態(tài)TLL)過程。將在下述方面描述這個過程：在時間上將由定位單元設備生成的獨特定位信號同步到由參考發(fā)射機生成的參考定位信號，其中定位單元設備和參考發(fā)射機相對于彼此移動。在優(yōu)選的實施例中，參考發(fā)射機本身是定位單元設備。一旦給定的定位單元設備與位置網絡的時間基準同步，它就能夠將網絡時間基準中繼到不具有指定的參考發(fā)射機的清晰視域的另外的定位單元設備。

顯而易見的應該是，術語“相對于彼此移動”、“相對移動”、“相對運動”等，當應用到參考發(fā)射機和定位單元設備時，包含多種情形。例如，相對于參考坐標系，參考發(fā)射機可以是在固定的位置中并且定位單元設備在移動，或者反之，或者兩者可以獨立地移動。

參考圖3和圖4的流程圖描述根據本發(fā)明的實施例的動態(tài)TLL過程，圖4的流程圖示出由定位單元設備所執(zhí)行的一系列步驟，該定位單元設備尋求將它的定位信號同步到參考發(fā)射機的定位信號，定位單元設備與參考發(fā)射機處于相對運動的狀態(tài)中。在步驟30中，定位單元設備2接收和解釋由參考發(fā)射機6生成的參考定位信號4。在步驟32中，定位單元設備生成與它的引導發(fā)射機時鐘14對準的獨特定位信號20的從版本。在這樣做之前，定位單元設備CPU 16優(yōu)選地將發(fā)射機時鐘引導到與接收的參考定位信號4對準的大致時間與頻率。在步驟34中，由定位單元設備的接收機10接收和解釋從定位信號20。在步驟36中，測量接收的參考定位信號4與接收的從定位信號20之間的頻率差，例如通過對在預定時段上測量的兩個信號的集成載波相位測量結果進行差分處理，或者通過測量瞬時的頻率偏移。在步驟38中，定位單元設備估計與參考發(fā)射機和它自己之間的相對運動相關聯(lián)的多普勒效應，如下面在“估計多普勒效應”部分所描述的那樣。隨后在步驟40中校正頻率差以考慮多普勒效應，例如，通過從測量的頻率差中移除估計的多普勒效應。這產生校正的頻率差，其指示定位單元設備2的頻率漂移，并因此指示參考定位信號4與從定位信號20之間的頻率與相位差。定位單元設備的頻率漂移可以例如由它自己的振蕩器18的漂移所引起或者由溫度或電壓波動所引起。在步驟42中，定位單元設備通過從在步驟40中所計算的校正的頻率差得到的量來調整它的引導發(fā)射機時鐘14的頻率，其從而調整定位單元設備的從定位信號20的生成。

兩個定位信號4、20現(xiàn)在以由多普勒效應估計的準確度所限制的準確度在頻率上對準(即，它們頻率相干)。為了防止頻率通過定位單元設備的后續(xù)漂移而變得失準，即，為了維護頻率相干，應該如控制回路44所表示的那樣重復地執(zhí)行步驟36、38、40和42。在優(yōu)選的實施例中，經由定位單元設備的CPU 16內的閉合回路執(zhí)行頻率對準，其基于重復的ICP差分測量和多普勒效應估計而重復地向引導發(fā)射機時鐘14施加校正。

可替代地，通過測量在接收機10處接收的參考定位信號4與從定位信號20之間的頻率偏差、對于估計的多普勒效應校正它、然后將它直接供應給引導發(fā)射機時鐘14來執(zhí)行頻率對準以創(chuàng)建所謂的“頻率跟蹤系統(tǒng)(FTS)”。引導發(fā)射機時鐘簡單地仿真對于多普勒效應估計校正的進入的參考定位信號的頻率偏差。這個方法要求定位單元設備的振蕩器18在接收機10和發(fā)射機12之間是共同的(如圖3中的情況)，并且通常沒有優(yōu)選的閉合回路方法準確，因為共同模式誤差(例如由溫度變化引起)沒有被差分掉。

一旦頻率相干已經建立，參考定位信號4與從定位信號20之間的時間差就能夠被準確地測量以消除參考發(fā)射機6與定位單元設備2之間的任何時間偏置。在步驟46中，定位單元設備測量分別在步驟30和34中接收和解釋的參考定位信號與從定位信號之間的時間差，并且在步驟47中，定位單元設備估計參考發(fā)射機天線23與定位單元設備天線21之間的當前距離22。根據這個距離估計，定位單元設備2在步驟48中通過將距離估計除以光速來計算參考信號傳播延遲的估計(即，飛行時間)。用于估計距離22的方法在下面的部分“估計傳播延遲”中討論。在某些實施例中，考慮到大氣的影響(即，對流層延遲，其通常降低真空光速大約300ppm)而確定光速的值。在一種具體的實施例中，使用在參考發(fā)射機處和在定位單元設備處的溫度、壓力和相對濕度的測量結果來估計對流層延遲。

應當理解的是，通過估計的參考信號傳播延遲偏移的測量的時間差，提供了將定位單元設備2與參考發(fā)射機6的時間基準對準所要求的時鐘校正的估計。因此在步驟50中，根據測量的時間差和估計的傳播延遲調整從定位信號的生成以實現(xiàn)參考定位信號4與從定位信號20之間的時間上的對準。在一種實施例中，通過在根據時間差與估計的傳播延遲所得到的時間段內偏移定位單元設備的引導時鐘14的頻率而執(zhí)行調整，同時多普勒效應校正的鎖頻控制回路44暫時不參加。這有效地在時間上擺動從定位信號20。我們注意到，在控制回路不參加時仍然應該測量和校正多普勒效應估計。在替代的實施例中，通過擺動定位單元設備發(fā)射機12的PRN碼生成器必要量的碼相位(碼片)(即，暫時地以更快或更慢的速率定時PRN碼生成器來執(zhí)行調整)，同時維護多普勒效應校正的鎖頻回路44。在其他實施例中，通過這些過程的組合(例如，涉及到PRN碼生成器的粗擺動，之后是頻率偏移)來執(zhí)行調整。

一旦已經建立頻率相干和時間上的對準，從定位信號20就被聲明為與參考定位信號4在時間上同步并且變成定位單元設備的發(fā)射的獨特定位信號24。定位單元設備2然后變成同步的位置網絡的一部分，使得它的定位信號能夠如下面所描述的那樣由流動方位接收機使用以確定準確的單點方位解決方案。同步的定位單元設備還能夠將網絡時間基準中繼到尋求進入網絡的其他定位單元設備。

如上面提到的，為了維護參考定位信號與從定位信號之間的頻率相干，應該如由控制回路44所示的那樣重復地執(zhí)行同步過程的頻率對準部分(即，圖4中的步驟36、38、40和42)。在優(yōu)選的實施例中，過程的時間上對準部分(即，圖4中的步驟46、47、48和50)僅執(zhí)行一次。然而重復地執(zhí)行時間上對準可能是有利的，如控制回路52所表示的那樣，例如以維護對時間上對準的檢查或者修復周跳(cycle slip)。

為了完整性，我們注意到同步過程的時間上對準部分在頻率對準部分之前執(zhí)行是有可能的。

如現(xiàn)有技術中的鎖時環(huán)同步過程那樣，定位單元設備從兩個或更多個時間同步的參考發(fā)射機接收參考定位信號也是有可能的。此外，這個配置使得參考信號誤差源(諸如多徑和對流層延遲)能夠在參考發(fā)射機之間被平均以提高時間基準的準確度。然而在本發(fā)明的上下文中，其還使得移動引起的多普勒頻移與傳播延遲變化的估計中的誤差能夠平均化。

回到圖4中的流程圖，將理解的是能夠在步驟40中頻率差被校正之前的任何時間執(zhí)行多普勒效應估計步驟38。例如，其可以在頻率差測量步驟36之前執(zhí)行，或者甚至在步驟30中參考定位信號被接收和解釋之前執(zhí)行。一旦在步驟42中首次對準了頻率，為了使用控制回路44維護頻率鎖定的目的，緊接在頻率差測量步驟36之前或之后估計多普勒效應將是方便的。

類似地，在如圖4所示的動態(tài)TLL過程的時間對準部分中的步驟的順序方面存在相當大的靈活性。例如，距離估計步驟47能夠在時間差測量步驟46之前執(zhí)行，或者甚至在頻率調整步驟42之前執(zhí)行。

參考圖5中示出的流程圖與圖3中示出的裝置描述根據本發(fā)明的另一個示例的動態(tài)TLL過程。與圖4一樣，圖5的流程圖示出由尋求將其定位信號同步到參考發(fā)射機6的定位信號的定位單元設備2所執(zhí)行的一系列步驟，定位單元設備2與參考發(fā)射機6處于相對運動的狀態(tài)。在步驟30中，定位單元設備2接收和解釋由參考發(fā)射機6生成的參考定位信號4。在步驟32中，定位單元設備生成與它的引導發(fā)射機時鐘14對準的獨特定位信號20的從版本，優(yōu)選地在發(fā)射機時鐘已經被引導到與接收的參考定位信號4大致時間與頻率對準之后，并且在步驟34中，由定位單元設備的接收機10接收和解釋從定位信號20。在步驟38中，定位單元設備估計與參考發(fā)射機和它自己之間的相對運動相關聯(lián)的多普勒效應，如下面在“估計多普勒效應”部分所描述的那樣，然后在步驟54中對于多普勒效應校正參考定位信號。在步驟56中，測量經多普勒效應校正的參考定位信號與接收的從定位信號之間的頻率差，例如通過對在預定的時段上測量的兩個信號的集成載波相位測量結果進行差分，或者通過測量瞬時的頻率偏移。在步驟58中，定位單元設備通過從步驟56中計算的頻率差所得到的量調整它的引導發(fā)射機時鐘14的頻率，其從而調整定位單元設備的從定位信號20的生成。

兩個定位信號4、20現(xiàn)在在頻率上對準，即，頻率相干。為了防止頻率通過定位單元設備的后續(xù)漂移而變得失準，應該如控制回路60所表示的那樣重復地執(zhí)行步驟38、54、56和58。動態(tài)TLL過程的時間上對準部分(即，步驟46、47、48和50)連同可選的控制回路52以與參考圖4所描述的相同的方式進行。

關于圖5的頻率對準部分中的步驟的順序存在相當大的靈活性。例如，多普勒效應估計步驟38能夠在步驟30中接收和解釋參考定位信號之前發(fā)生，或者多普勒效應估計和校正(步驟38和54)能夠在步驟32和34中生成、接收和解釋從定位信號之前執(zhí)行。

在圖5示出的實施例中，在步驟56中測量頻率差之前，將多普勒效應估計應用于接收的參考定位信號，而在圖4示出的實施例中，多普勒效應估計應用于頻率差。然而重要的是最終結果是相同的：通過從多普勒效應估計和測量的頻率差所得到的量而調整引導時鐘14的頻率，以將它與參考發(fā)射機時鐘8的頻率對準。在另一個示例中，通過如圖5中所示的那樣多普勒效應校正接收的參考定位信號而初始地實現(xiàn)頻率對準，然后通過如圖4中的控制回路44所示的那樣重復地多普勒效應校正頻率差而維護頻率對準。然后以通常形式，頻率對準通過定位單元設備2的以下步驟繼續(xù)：

(i)接收和解釋參考定位信號4；

(ii)生成和發(fā)射從定位信號20；

(iii)接收和解釋從定位信號；

(iv)測量接收的參考定位信號與接收的從定位信號之間的頻率差；

(v)估計與參考發(fā)射機6和定位單元設備2之間的相對運動相關聯(lián)的多普勒效應；以及

(vi)通過從測量的頻率差和估計的多普勒效應得到的量調整引導發(fā)射機時鐘14的頻率。

估計多普勒效應

因為通常多普勒效應與時鐘漂移不能區(qū)分，所以上述動態(tài)的時間上同步過程的頻率相干方面依賴于對象定位單元設備能夠估計由它自己與參考發(fā)射機之間的相對運動而施加在參考定位信號上的多普勒效應(圖4或圖5中的步驟38)。在優(yōu)選的實施例中，定位單元設備從參考發(fā)射機的軌跡數據、或者它自己的軌跡數據、或者這兩者估計這個多普勒效應，其中軌跡數據典型地包括關于位置、速度和加速度中的一個或多個的信息。在最通常的情況中，定位單元設備和參考發(fā)射機都將相對于參考坐標系(諸如，ECEF坐標系)移動，例如，如果被安裝在參加搜索和救援操作的車輛上，在這種情況中定位單元設備要求參考發(fā)射機和它自己這兩者的軌跡數據。

在某些實施例中，其中參考發(fā)射機6和定位單元設備2都在移動平臺上，每一個單元優(yōu)選地包含用于測量位置、速度和加速度中的一個或多個的如圖3所示的跟蹤設備62。每一個跟蹤設備62可以是例如慣性導航系統(tǒng)(INS)、用于接收來自全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星的定位信號的GPS接收機、或者用于接收來自同步的定位單元設備的本地網絡的定位信號的接收機，其可以是靜止的或在移動平臺上?？商娲?，跟蹤設備可以是這些或其他系統(tǒng)的組合，諸如，GPS引導的INS。參考圖3，我們注意到定位單元設備2的接收機10能夠被編程以計算方位解決方案，并且對于上述動態(tài)同步過程有貢獻。在這種情況中接收機10能夠用作跟蹤設備62。類似地，如果參考發(fā)射機6本身是定位單元設備，那么它的接收機能夠被編程以計算方位解決方案(例如，使用GPS信號)，并因此用作跟蹤設備62。在這種上下文中我們注意到由定位接收機計算的方位解決方案(也被稱為PVT解決方案)通常包括位置、速度和時間信息。

慣性導航系統(tǒng)具有在外部定位信號不可靠或不可用的環(huán)境中工作的優(yōu)勢。然而，即使是最好的這種系統(tǒng)也經歷隨著時間的漂移，因此在外部定位信號可用時(例如，來自GPS衛(wèi)星或定位單元設備的同步網絡)的情況下將優(yōu)選地由定位接收機或類似物支持以重新校準INS。作為內部跟蹤設備62的替代，外部跟蹤構件(諸如，基于激光的系統(tǒng))能夠被用于測量參考發(fā)射機和/或定位單元設備的軌跡數據并且向定位單元設備提供該數據。在廣泛的方面中，可以使用用于測量軌跡數據并且向定位單元設備提供該數據的任何合適的構件。

在某些實施例中，在參考發(fā)射機與定位單元設備中的一個或另一個上不要求跟蹤設備。例如，如果定位單元設備接收來自GPS衛(wèi)星(其有效地是移動平臺上的參考發(fā)射機)的參考定位信號，那么由衛(wèi)星例行地發(fā)射的星歷表數據將足夠定位單元設備確定衛(wèi)星的軌跡數據?？商娲?，定位單元設備可以先驗地知道指定的參考接收機的運動。在其中僅定位單元設備2在移動平臺上(例如，尋求加入固定的陸基位置網絡的飛行器)的實施例中，參考發(fā)射機6不需要包含跟蹤設備。同樣地，如果定位單元設備將總是靜止的，那么定位單元設備將不要求跟蹤設備。

在其中參考發(fā)射機6在移動平臺上的某些實施例中，參考發(fā)射機6使用它的跟蹤設備62以某個速率(第一測量速率)測量它的軌跡數據，并且將該信息作為它的參考定位信號4的數據成分的一部分以某個更新速率(第一更新速率)廣播。定位單元設備2經由它自己的跟蹤設備62以某個速率(第二測量速率)測量它自己的軌跡數據，并且根據參考定位信號4解調參考發(fā)射機6的對應數據。在優(yōu)選的實施例中，為了使用獨特定位信號以用于其方位解決方案計算的流動方位接收機、或者尋求加入網絡的其他單位單元設備的利益，定位單元設備還將它的軌跡數據作為它的獨特定位信號24的數據成分的一部分以某個更新速率(第二更新速率)廣播。如果定位信號的數據成分的帶寬不足以以要求的更新速率廣播軌跡數據，那么參考發(fā)射機和/或定位單元設備能夠經由單獨的數據鏈路(圖3中未示出)廣播它們各自的軌跡數據。

在優(yōu)選的實施例中，參考發(fā)射機6或定位單元設備2或者這兩者以10Hz或更高的速率(更優(yōu)選地以100Hz或更高的速率)測量它們的軌跡數據，并且例行地用最近測量的軌跡數據更新它們的定位信號4、24的數據成分。更高的測量與更新速率對于參考發(fā)射機與定位單元設備的更準確的跟蹤是優(yōu)選的，特別是在它們中的任一者快速地或不規(guī)律地移動的情形中。在某些實施例中，測量與更新速率是可調整的；例如，如果參考發(fā)射機或定位單元設備感覺到它的運動變得更不規(guī)律/不太不規(guī)律，那么它能夠增加/減小它測量它的軌跡數據的速率，或者增加/減小它更新它的定位信號的數據成分的速率。在某些實施例中，各自的測量和更新速率是相等的，而在其他實施例中，各自的更新速率低于各自的測量速率。

在優(yōu)選的實施例中，由各自的跟蹤設備62測量的參考發(fā)射機或定位單元設備或這兩者的軌跡數據包括至少位置與速度信息。回想一下速度是向量(即速率和方向)，速度信息通常足夠定位單元設備2獲得用于它自己與參考發(fā)射機6之間的相對運動的估計，并因此獲得施加在參考定位信號4上的多普勒效應的估計。然而，因為參考發(fā)射機與定位單元設備之間的距離22所引起的傳播延遲，由參考發(fā)射機發(fā)射并由定位單元設備接收的速度信息可能不在與定位單元設備自己最近測量的速度相同的時間間隔中測量。因此，以足夠的準確度估計多普勒效應可能要求更復雜的過程。在一個示例中，參考發(fā)射機能夠基于例如卡曼(Kalman)濾波器或者最小二乘算法來利用預測性例程，以計算它的位置和/或速度的預測，并且在它的參考定位信號的數據成分中或者經由單獨的數據鏈路廣播這些預測。類似地，定位單元設備能夠利用預測性例程來計算它的位置和/或速度的預測以用于廣播。在另一個示例中，在給定的瞬間，定位單元設備能夠接收瞬時的(即，非預測的)位置或速度信息并且利用預測性例程估計它自己與參考發(fā)射機之間的相對速度，并因此估計施加在接收的參考定位信號上的多普勒效應。

在某些實施例中，參考發(fā)射機或者定位單元設備或者這兩者的軌跡數據還包括加速度信息。在某些實施例中，參考發(fā)射機或者定位單元設備或者這兩者使用它們各自的跟蹤設備62測量加速度并且將該信息合并在它們的軌跡數據中。在其他實施例中，定位單元設備從最近測量或接收的速度信息推斷加速度。應該理解的是，其他信息(例如，加速度的時間變化率)能夠被測量并且作為參考發(fā)射機或者定位單元設備或者這兩者的軌跡數據的一部分而廣播。

相反地，在其中參考發(fā)射機或定位單元設備的運動是逐漸的或者是高度可預測的情形中，軌跡數據只包含位置信息、以合適的更新速率廣播可能是足夠的，在這種情況中定位單元設備從最近測量的或接收的位置信息推斷各自的速度。在某些實施例中，參考發(fā)射機或定位單元設備監(jiān)視它們自己的運動，并且決定在它們的軌跡數據中需要包括多少信息(例如，只有位置，或者位置與速度，或者位置、速度與加速度)、需要多久測量軌跡數據、或者需要多久更新軌跡數據以用于廣播。

為了完整性，我們注意到上述方法包含參考發(fā)射機或者定位單元設備相對于參考坐標系處在固定的位置中的特別情況。例如，如果參考發(fā)射機靜止在對于定位單元設備已知的位置中，那么參考發(fā)射機可能沒有必要測量或廣播任何軌跡數據，或者它可以僅以緩慢的更新速率(例如，0.1Hz)這樣做。在這種情況中，只從定位單元設備的軌跡數據確定多普勒效應。相反地，如果定位單元設備靜止在已知的位置中，那么能夠只從參考發(fā)射機的軌跡數據估計多普勒效應，并且就算需要的話定位單元設備也僅需要以緩慢的更新速率測量和廣播軌跡數據。然而，在最通常的情況中兩個設備將移動，并且使用來自兩者的軌跡數據估計多普勒效應。

估計傳播延遲

在參考圖4和5的如上所述的動態(tài)TLL過程的時間同步部分中，在步驟48中，定位單元設備基于光速和在步驟47中獲得的參考發(fā)射機天線與定位單元設備天線之間的估計的距離22來估計參考信號傳播延遲(即，飛行時間)。通常，這要求參考發(fā)射機和定位單元設備的位置的知識，其可以形成例如使用跟蹤設備62測量的軌跡數據的一部分。類似于具有多普勒效應估計的情形，參考發(fā)射機或定位單元設備能夠利用預測性例程(諸如，卡曼濾波器或者最小二乘)計算它們的位置的預測以用于廣播?？商娲?，定位單元設備能夠從參考發(fā)射機接收瞬時的(即，非預測的)位置信息，并且利用預測性例程估計它自己與參考發(fā)射機之間的距離22。在某些實施例中，參考發(fā)射機的軌跡數據除了位置信息還包括速度信息，以使得定位單元設備能夠估計參考發(fā)射機的瞬時位置。在其他實施例中，定位單元設備基于最近接收的位置信息計算估計。如前面解釋的，能夠考慮到對流層延遲而確定光速的值。

方位解決方案

現(xiàn)在轉到圖6，其圖示出了包括如下形式的動態(tài)位置網絡的定位系統(tǒng)，該形式是多個同步的定位單元設備2-1、2-2和2-3(它們中的至少一個如箭頭29-1、29-2和29-3所示的那樣相對于諸如地心地固(ECEF)坐標系的參考坐標系移動)以及能夠接收來自定位單元設備的定位信號24-1、24-2和24-3的流動方位接收機26。移動的定位單元設備的定位信號經由上述動態(tài)TLL過程在時間上同步到一個或多個參考發(fā)射機的參考定位信號，并且在優(yōu)選的實施例中，每一個參考發(fā)射機本身是定位單元設備，其信號能夠被流動方位接收機所利用。通常，流動方位接收機當然也將是移動的。流動方位接收機也需要能夠接收來自相對于參考坐標系移動的這些定位單元設備的軌跡數據，使得它能夠確定或者預測根據定位信號的偽隨機碼成分和/或載波成分計算基于碼和/或載波的方位解決方案所要求的定位單元設備位置。這類似于傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)，其中流動方位接收機在它們的方位解決方案計算中利用衛(wèi)星星歷表。軌跡數據可以包括例如關于位置、速度和加速度中的一個或多個的信息，或者它們的預測。在某些實施例中，定位單元設備將它們的軌跡數據合并到它們的定位信號的數據成分中，而在其他實施例中，它們經由單獨的數據鏈路廣播它們的軌跡數據。在優(yōu)選的實施例中，流動方位接收機26例如基于卡曼濾波器或最小二乘利用預測性例程(來估計定位單元設備和/或參考發(fā)射機在給定瞬間的位置、速度和/或加速度。

盡管已經參考特定示例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員應當理解的是本發(fā)明可以用很多其他形式實現(xiàn)。