專利名稱：使用相干處理的衛(wèi)星信號(hào)并結(jié)合固定信標(biāo)信號(hào)來定位一個(gè)移動(dòng)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于便攜式無線電收發(fā)信機(jī)的定位系統(tǒng)，尤其涉及根據(jù)來自諸如全球定位系統(tǒng)(GPS)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)和來自無線通信網(wǎng)絡(luò)基站的信號(hào)，用于無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)移動(dòng)單元的定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)是發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的地球低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，所述標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)可用于確定裝備有一適當(dāng)?shù)腉PS接收機(jī)的用戶的位置。對(duì)于民用來說，信號(hào)是“C/A編碼”，即以1023KHz的碼片速率發(fā)射的偽隨機(jī)噪聲(PN)序列，其重復(fù)周期為1023碼片，所以PN序列的每一幀包括1023個(gè)碼片。向每個(gè)衛(wèi)星分配其唯一的PN序列，并且各個(gè)衛(wèi)星的PN序列是相互正交的。
疊加在由GPS衛(wèi)星發(fā)射的PN序列上的是衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息，以50比特/秒的速率每30秒發(fā)射一次。通過逐比特地與PN序列的20個(gè)連續(xù)幀相乘，衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的每一比特(+1或-1)被調(diào)制到衛(wèi)星信號(hào)上。衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的前900比特包括各個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星歷表和時(shí)間模型。衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的其余600比特包括一部分GPS歷書，它是整個(gè)GPS系統(tǒng)的15,000比特塊的粗略星歷表和時(shí)間模型數(shù)據(jù)。另外，每個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的比特1-8、比特301-308、比特601-608、比特901-908和比特1201-1208是在時(shí)間上不變的相同的8比特(160毫秒)首部，并且對(duì)于所有的GPS衛(wèi)星是相同的；每個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的比特31-60、比特331-360、比特631-660、比特931-960和比特1231-1260是在時(shí)間上變化的30比特(600毫秒)的轉(zhuǎn)移字(這些轉(zhuǎn)移字包括星期的時(shí)間的表示)，但是，類似于首部，對(duì)于所有的GPS衛(wèi)星都是相同的。
常規(guī)上，通過相關(guān)所接收的信號(hào)和各個(gè)衛(wèi)星的PN序列并鎖定到相關(guān)峰值，GPS接收機(jī)捕獲并跟蹤來自至少四個(gè)GPS衛(wèi)星的信號(hào)。一旦捕獲并跟蹤到衛(wèi)星，GPS接收機(jī)針對(duì)每個(gè)被捕獲的衛(wèi)星從各個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息解碼出星歷表和時(shí)間模型。這些模型包括足夠的星歷表數(shù)據(jù)使得GPS接收機(jī)能夠計(jì)算出衛(wèi)星的位置。在衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤過程中獲得的相關(guān)峰值提供所測(cè)量的這些PN序列幀的到達(dá)時(shí)間。一個(gè)任意的參考時(shí)間和所測(cè)量的到達(dá)時(shí)間之間的差值乘以光速即是衛(wèi)星到GPS接收機(jī)的偽距離ρ。參考時(shí)間一般是GPS接收機(jī)時(shí)鐘所測(cè)量的衛(wèi)星執(zhí)行它們相應(yīng)的PN序列傳輸?shù)拈_始時(shí)間，所述GPS接收機(jī)時(shí)鐘一般以一個(gè)未知的時(shí)間偏差量偏離GPS系統(tǒng)時(shí)鐘。偽距離ρ相對(duì)于各個(gè)衛(wèi)星的實(shí)際距離R為ρ＝R+cb，其中距離偏移cb是GPS接收機(jī)相對(duì)于GPS系統(tǒng)時(shí)間的時(shí)間偏差T0乘以光速ccb＝T0c。根據(jù)上述偽距離并根據(jù)作為時(shí)間函數(shù)的衛(wèi)星的已知位置，通過三角測(cè)量計(jì)算GPS接收機(jī)的位置。需要到至少四個(gè)衛(wèi)星的偽距離以求解至少四個(gè)形式為|s-r|＝ρ-cb的聯(lián)立等式，其中s是衛(wèi)星的位置矢量，r＝(x，y，z)是GPS接收機(jī)的位置矢量，以求得GPS接收機(jī)的三個(gè)未知笛卡爾坐標(biāo)x，y，z和cb。衛(wèi)星距離GPS接收機(jī)足夠遠(yuǎn)，從而這些等式可以用x，y和z線性化，而不降低精度。
增加GPS接收機(jī)建立其位置的效率和降低GPS接收機(jī)的功率需求的幾種方法是已知的。在此引用作為參考(如同在此完全描述)的美國(guó)專利US5,365,450中Schuchman等人教導(dǎo)了通過從網(wǎng)絡(luò)的基站經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制信道將衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息發(fā)送到移動(dòng)單元，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息提供給一個(gè)GPS接收機(jī)，所述GPS接收機(jī)被集成到諸如蜂窩電話網(wǎng)的無線通信網(wǎng)的諸如蜂窩電話的一個(gè)移動(dòng)單元中。衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息長(zhǎng)度為30秒，所以即使在理想的接收情況下，并行處理來自所有可見衛(wèi)星的信號(hào)，獲得GPS位置定位至少需要30秒。衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的先驗(yàn)知識(shí)將這一時(shí)間降到10秒以下。
在此引用作為參考(如同在此完全描述)的美國(guó)專利US5,663,734中，Krasner教導(dǎo)了一種用于移動(dòng)單元的GPS接收機(jī)，如同Schuchman等人的GPS接收機(jī)，通過到基站的無線鏈路獲得衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息，但是然后，并不實(shí)時(shí)處理GPS信號(hào)，GPS接收機(jī)與信號(hào)到達(dá)的開始時(shí)間一起存儲(chǔ)多達(dá)1秒的信號(hào)(每個(gè)衛(wèi)星1000個(gè)PN序列幀)，并處理所存儲(chǔ)的信號(hào)。每5至10幀為一組被求和并與預(yù)計(jì)可見的衛(wèi)星的PN序列相關(guān)，不相干地相加所得的相關(guān)函數(shù)。多達(dá)1000幀的求和把信號(hào)噪聲比提高了一個(gè)相應(yīng)量，事后處理所需要的功率比實(shí)時(shí)處理低得多。
在此引用作為參考(如同在此完全描述)的PCT申請(qǐng)WO99/21028中Duffet-Smith等人教導(dǎo)了一種定位無線通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)接收機(jī)(“遠(yuǎn)端單元”)的系統(tǒng)和方法。固定位置上的遠(yuǎn)端單元和基站單元同時(shí)在控制信道上從三個(gè)或更多的基站收發(fā)信機(jī)(BTS)接收信號(hào)，并相關(guān)處理控制信道信號(hào)的固定部分。相關(guān)峰值的簡(jiǎn)單描述，例如低階多項(xiàng)式擬合，由基站單元和遠(yuǎn)端單元發(fā)送給一個(gè)中央處理器。中央處理器根據(jù)相關(guān)峰值恢復(fù)BTS到基站單元和遠(yuǎn)端單元傳輸?shù)臅r(shí)間偏差。這些時(shí)間偏差在功能上與GPS偽距離相同。給定BTS和基站單元的(固定)位置，中央處理器計(jì)算遠(yuǎn)端單元的位置，主要通過三角測(cè)量，并將位置發(fā)送給遠(yuǎn)端單元。
GPS定位系統(tǒng)判定在GPS接收機(jī)上具有到至少四個(gè)GPS衛(wèi)星的清楚視線。在市區(qū)環(huán)境下通常不是這種情況。市區(qū)環(huán)境通常安裝有蜂窩電話網(wǎng)，所以在理論上，Duffet-Smith等人所教導(dǎo)的系統(tǒng)可以用于定位一個(gè)配置為蜂窩電話的移動(dòng)收發(fā)信機(jī)；但是蜂窩電話通常同時(shí)與至多兩個(gè)基站聯(lián)系。在美國(guó)專利US5,999,124中Sheynblatt、在PCT申請(qǐng)WO99/61934中Camp、和在美國(guó)專利US5,982,324中Watters等人都教導(dǎo)了同時(shí)使用GPS衛(wèi)星和陸地BTS的信號(hào)來確定移動(dòng)接收機(jī)位置的方法。如上所述，這些現(xiàn)有技術(shù)方法一般依靠三角測(cè)量，使用同時(shí)從四個(gè)或更多GPS衛(wèi)星和BTS接收到的信號(hào)。如上所述，通常，至多兩個(gè)BTS是同時(shí)可見的；在特別混亂和嘈雜的市區(qū)環(huán)境中，在任何時(shí)候僅可以從一個(gè)或兩個(gè)GPS衛(wèi)星獲得可用信號(hào)。這些現(xiàn)有技術(shù)的方法還依靠所有的BTS相互同步，如果不與GPS系統(tǒng)同步至少相互之間是同步的。在GSM蜂窩標(biāo)準(zhǔn)中，這種同步是可選的。因而，已經(jīng)廣泛地意識(shí)到需要，并且如果實(shí)現(xiàn)的話將非常有利，一種在混亂和嘈雜的市區(qū)環(huán)境下定位無線通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)單元，例如移動(dòng)蜂窩電話機(jī)的系統(tǒng)和方法，它根據(jù)從諸如GPS衛(wèi)星的地球低軌道衛(wèi)星和通信網(wǎng)的基站順序接收到的信號(hào)獲得移動(dòng)單元的位置，而不需要BTS相互同步。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定到一個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，所述信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每一塊與一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘，該信號(hào)相對(duì)于一個(gè)標(biāo)稱頻率偏移一個(gè)頻移，該方法包括步驟(a)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；(c)把該數(shù)字化信號(hào)排列為包括多行的一個(gè)輸入矩陣的列，每一列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的該數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)多個(gè)比特；和(d)對(duì)輸入矩陣的每行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換，從而生成一個(gè)變換矩陣。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定到多個(gè)信標(biāo)中每個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，每個(gè)信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的相應(yīng)信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)塊與一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘，該偽噪聲序列和數(shù)據(jù)序列唯一地與各個(gè)衛(wèi)星相關(guān)，所有的偽噪聲序列長(zhǎng)度相同，偽噪聲序列是相互正交的，該方法包括步驟(a)集總接收被發(fā)射的信號(hào)作為一個(gè)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；和(c)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，將對(duì)應(yīng)于每個(gè)信標(biāo)所發(fā)射的信號(hào)塊的數(shù)字化信號(hào)的比特組乘以每個(gè)信標(biāo)的數(shù)據(jù)序列的相應(yīng)比特。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種接收機(jī)，用于接收一個(gè)信標(biāo)所發(fā)射的一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，該接收機(jī)包括(a)一個(gè)用于接收被發(fā)射信號(hào)的天線；(b)一個(gè)用于數(shù)字化所接收的信號(hào)以生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)的裝置；(c)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于將該數(shù)字化信號(hào)存儲(chǔ)為一個(gè)包括多行的矩陣的列，每列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)多個(gè)比特；和(d)一個(gè)處理器，用于對(duì)該矩陣的每行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種定位移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)至少一個(gè)信標(biāo)，具有一個(gè)相應(yīng)的偽噪聲序列和一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)序列，每個(gè)數(shù)據(jù)序列包括多個(gè)比特，至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)發(fā)射信號(hào)，每個(gè)相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)包括多個(gè)塊，每個(gè)塊包括相應(yīng)的偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)塊與相應(yīng)的數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘，(b)一個(gè)參考單元包括(i)一個(gè)參考單元接收機(jī)，用于(A)接收至少一個(gè)發(fā)射信號(hào)作為一個(gè)參考單元接收信號(hào)，和(B)從相應(yīng)的參考單元接收信號(hào)中恢復(fù)至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列，和(ii)一個(gè)發(fā)射機(jī)，用于將至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列發(fā)射到至少一個(gè)移動(dòng)單元；和(c)在移動(dòng)單元中(i)第一移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列，和(ii)第二移動(dòng)單元接收機(jī)，包括(A)一個(gè)天線，用于集總接收至少一個(gè)發(fā)射信號(hào)作為一個(gè)移動(dòng)單元接收信號(hào)，(B)一個(gè)裝置，用于數(shù)字化移動(dòng)單元接收信號(hào)以生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)，(C)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于為至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)存儲(chǔ)該數(shù)字化信號(hào)的一個(gè)實(shí)例，和(D)一個(gè)處理器，用于相乘每個(gè)所述的數(shù)字化信號(hào)的至少一個(gè)實(shí)例與相應(yīng)數(shù)據(jù)序列的多個(gè)比特。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于確定接收機(jī)位置的方法，包括步驟(a)提供具有各自偽噪聲序列的多個(gè)信標(biāo)，所有的偽噪聲序列長(zhǎng)度相同；(b)由每個(gè)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)包括相應(yīng)偽噪聲序列的多個(gè)幀；(c)由接收機(jī)集總接收所發(fā)射的信號(hào)作為一個(gè)接收信號(hào)；(d)為每個(gè)信標(biāo)推斷一個(gè)偽距離和偽距離的變化率；和(e)根據(jù)偽距離和偽距離的變化率推斷接收機(jī)的位置。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定到一個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，所述信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)塊乘以一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特；該信號(hào)相對(duì)于一個(gè)標(biāo)稱頻率被偏移一個(gè)多普勒頻移，該方法包括步驟(a)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；(c)將一個(gè)匹配濾波器算法應(yīng)用于數(shù)字化信號(hào)以從中提取偽距離和偽距離的變化率，該匹配濾波器算法包括(i)相對(duì)于該數(shù)據(jù)序列解調(diào)該數(shù)字化信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種定位移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)異步固定信標(biāo)，每個(gè)固定信標(biāo)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)；(b)提供多個(gè)在已知的各個(gè)軌跡上運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，所有的移動(dòng)信標(biāo)相互同步；(c)對(duì)于至少一個(gè)固定信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)(i)由移動(dòng)單元接收相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)，和(ii)根據(jù)相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)推斷與到每個(gè)固定信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(d)對(duì)于至少一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)(i)由移動(dòng)單元接收相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；和(ii)根據(jù)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)推斷與到每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(e)通過下述步驟使移動(dòng)單元和固定信標(biāo)與移動(dòng)信標(biāo)同步，包括(i)為每個(gè)固定信標(biāo)提供一個(gè)參考單元，用于測(cè)量移動(dòng)信標(biāo)和每個(gè)固定信標(biāo)之間的時(shí)間偏差，(ii)由參考單元測(cè)量時(shí)間偏差，和(iii)從一個(gè)相應(yīng)的參考單元向移動(dòng)單元發(fā)送至少一個(gè)時(shí)間偏差，參數(shù)的推斷基于該同步；和(f)根據(jù)參數(shù)推斷移動(dòng)單元的位置。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種跟蹤一個(gè)移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)信標(biāo)，每個(gè)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)；(c)由移動(dòng)單元接收一個(gè)測(cè)距信號(hào)；(d)根據(jù)該測(cè)距信號(hào)推斷與到發(fā)射該測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(e)根據(jù)包括位置初始估計(jì)的一個(gè)初始狀態(tài)估計(jì)和包括該至少一個(gè)參數(shù)的更新測(cè)量獲得移動(dòng)單元位置的更新估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于定位一個(gè)移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)異步固定信標(biāo)，每個(gè)固定信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)；(b)多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，同時(shí)在一條相應(yīng)的已知軌跡上移動(dòng)，所有的移動(dòng)信標(biāo)彼此同步；和(c)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)移動(dòng)單元時(shí)鐘，用于生成一個(gè)移動(dòng)單元定時(shí)信號(hào)；(ii)第一移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收和數(shù)字化固定信標(biāo)信號(hào)；(iii)第二移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收和數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，從而生成相應(yīng)的數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；(iv)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；(v)一個(gè)移動(dòng)單元處理器，用于將每個(gè)固定信標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)偽距離，和在將每個(gè)數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中之后，將每個(gè)數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)偽距離；和(d)至少一個(gè)參考單元包括(i)第一參考接收機(jī)，用于接收移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，并從中推斷這些移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)的共同開始時(shí)間，(ii)第二參考單元接收機(jī)，用于從至少一個(gè)相應(yīng)的固定信號(hào)接收至少一個(gè)固定信標(biāo)信號(hào)，(iii)一個(gè)參考單元時(shí)鐘，用于生成一個(gè)參考單元定時(shí)信號(hào)，(iv)一個(gè)參考單元處理器，用于為至少一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)中的每個(gè)推斷出該至少一個(gè)相應(yīng)固定信標(biāo)信號(hào)的開始時(shí)間與移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)的共同開始時(shí)間之間的定時(shí)偏差；和(iii)一個(gè)發(fā)射機(jī)，用于發(fā)射至少一個(gè)定時(shí)偏差；第一移動(dòng)單元接收機(jī)可操作地從至少一個(gè)參考單元發(fā)射機(jī)中的每個(gè)接收至少一個(gè)定時(shí)偏差；偽距離同時(shí)參考移動(dòng)單元定時(shí)信號(hào)和至少一個(gè)定時(shí)偏差。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于定位移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)信標(biāo)，每個(gè)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；和(b)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)用于獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)的裝置，(ii)一個(gè)用于接收測(cè)距信號(hào)的接收機(jī)，(iii)一個(gè)處理器，用于根據(jù)一個(gè)測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射該測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，和(iv)一個(gè)更新裝置，用于根據(jù)包括至少一個(gè)參數(shù)的更新測(cè)量來更新位置估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種跟蹤移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)提供多個(gè)固定信標(biāo)，每個(gè)固定信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(c)獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)；(d)由移動(dòng)單元從多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)相應(yīng)信標(biāo)接收第一測(cè)距信號(hào)；(e)根據(jù)第一測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射第一測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(f)根據(jù)初始位置和與到發(fā)射第一測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)獲得移動(dòng)單元位置的第一更新估計(jì)；(g)由移動(dòng)單元從另外的多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)相應(yīng)信標(biāo)接收第二測(cè)距信號(hào)；(h)根據(jù)第二測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射第二測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(i)根據(jù)第一更新位置和與到發(fā)射第二測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)獲得移動(dòng)單元位置的第二更新估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于定位移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)多個(gè)固定信標(biāo)，每個(gè)固定信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；和(c)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)用于獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)的裝置，(ii)一個(gè)用于接收測(cè)距信號(hào)的接收機(jī)，(iii)一個(gè)處理器，用于根據(jù)每個(gè)測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射測(cè)距信號(hào)的信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)，和(iv)一個(gè)更新裝置，用于使用與到多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)更新初始位置估計(jì)，從而提供移動(dòng)單元位置的第一更新估計(jì)，和使用與到另外多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)更新第一更新估計(jì)。
從最廣泛的意義來說，本發(fā)明包括使移動(dòng)單元通過合理地處理從移動(dòng)信標(biāo)和固定信標(biāo)接收到的信號(hào)來確定其位置的方法和系統(tǒng)。如在此所理解的，信標(biāo)是一個(gè)包括一發(fā)射機(jī)的設(shè)備，該發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)信號(hào)，通常是一個(gè)射頻信號(hào)，移動(dòng)單元接收該信號(hào)并用于確定它自身的位置。一些信標(biāo)是固定的，意味著這些信標(biāo)在固定和已知的位置上。其它的信標(biāo)是移動(dòng)的，意味著這些信標(biāo)沿著已知的軌跡運(yùn)動(dòng)，以便在任何時(shí)候該相應(yīng)移動(dòng)信標(biāo)的瞬時(shí)位置都是已知的。移動(dòng)單元一般是一個(gè)蜂窩電話機(jī)，固定信標(biāo)是蜂窩電話網(wǎng)的基站收發(fā)信機(jī)，移動(dòng)信標(biāo)是諸如GPS系統(tǒng)和俄羅斯的CLONASS系統(tǒng)的低軌道地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星，移動(dòng)信標(biāo)的軌跡則是如衛(wèi)星星歷表和時(shí)間模型所描述的衛(wèi)星軌跡。然而，更廣泛地說，本發(fā)明的范圍包括任意合適的信標(biāo)。例如，固定信標(biāo)可以是專門建立以能夠跟蹤移動(dòng)單元的專用信標(biāo)，移動(dòng)信標(biāo)可以是沿著已知軌跡飛行的航空器。
盡管本發(fā)明的范圍延伸到使用任意合適類型的移動(dòng)和固定信標(biāo)，在此用最佳和最普通的移動(dòng)和固定信標(biāo)的形式來描述本發(fā)明，即GPS衛(wèi)星和蜂窩電話網(wǎng)的基站(BTS)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然知道如何將本發(fā)明的原理應(yīng)用于其它類型的移動(dòng)和固定信標(biāo)。
移動(dòng)單元從移動(dòng)和固定信標(biāo)接收定時(shí)信號(hào)。在移動(dòng)信標(biāo)是GPS衛(wèi)星的情況下，定時(shí)信號(hào)是連續(xù)的由衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息調(diào)制的PN幀。在固定信標(biāo)是BTS的情況下，定時(shí)信號(hào)是在蜂窩網(wǎng)控制信道中發(fā)射的同步脈沖串序列。
為了這些信號(hào)被移動(dòng)單元正確地理解，如果蜂窩電話網(wǎng)是異步的，BTS既不與GPS網(wǎng)絡(luò)同步，也不相互同步，則各個(gè)BTS和GPS系統(tǒng)之間的時(shí)間偏差必須為移動(dòng)單元所知。因此，提供至少一個(gè)參考單元，用于確定BTS和GPS時(shí)間之間的偏差。一個(gè)參考單元與一個(gè)或多個(gè)BTS相關(guān)。每個(gè)參考單元包括一個(gè)基于GPS的時(shí)間參考模塊，用于從GPS衛(wèi)星接收PN幀，并將它們與PN序列的本地副本互相關(guān)以確定GPS時(shí)間；一個(gè)蜂窩通信模塊，用于從相關(guān)的BTS接收同步脈沖串序列；和一個(gè)同步模塊，用于確定相關(guān)BTS相對(duì)于GPS時(shí)間的時(shí)間偏差。蜂窩通信網(wǎng)裝備有一個(gè)定位器服務(wù)中心，參考單元經(jīng)定位器服務(wù)中心向移動(dòng)單元發(fā)送時(shí)間偏差。參考單元之一可以被設(shè)計(jì)為一個(gè)主參考單元，也經(jīng)定位器服務(wù)中心向移動(dòng)單元發(fā)送衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息。(這個(gè)主參考單元可以在物理上與定位器服務(wù)中心集成在一起。)移動(dòng)單元以常規(guī)方式與蜂窩網(wǎng)同步。這允許移動(dòng)單元同樣與GPS網(wǎng)絡(luò)近似同步經(jīng)定位器服務(wù)中心從參考單元接收了BTS定時(shí)偏差后，移動(dòng)單元計(jì)算其自身時(shí)鐘和GPS時(shí)間之間的時(shí)間偏差在大約30毫秒之內(nèi)。
移動(dòng)單元從可見GPS衛(wèi)星集總接收衛(wèi)星定時(shí)信號(hào)，數(shù)字化該組合信號(hào)，并將匹配濾波器算法應(yīng)用于該組合信號(hào)以如下所述根據(jù)該組合信號(hào)提取偽距離和偽距離的變化率。數(shù)字化組合信號(hào)的連續(xù)幀被排列為一個(gè)矩陣的列。所形成矩陣的實(shí)例與可見衛(wèi)星的個(gè)數(shù)相同。針對(duì)相應(yīng)衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息，通過將矩陣實(shí)例的列組乘以相應(yīng)衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息的對(duì)應(yīng)比特，移動(dòng)單元與GPS網(wǎng)絡(luò)近似同步允許每個(gè)矩陣實(shí)例被解調(diào)。如果提供主參考單元，則任意PN序列都可以被用于形成矩陣實(shí)例；否則，僅使用對(duì)應(yīng)于公用于所有衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息比特的那些PN幀。使用離散正交變換，最好是一個(gè)離散傅立葉變換來變換矩陣的行。將矩陣元素乘以各個(gè)多普勒補(bǔ)償因數(shù)。將矩陣的列與可見衛(wèi)星的PN序列卷積以為每個(gè)可見衛(wèi)星提供一個(gè)信號(hào)模糊性功能矩陣。這些矩陣的元素的平方幅度包括本地峰值，其行和列坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于用做到對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的偽距離及這些偽距離的變化率的候選假定。這一程序重復(fù)數(shù)次以為每個(gè)可見衛(wèi)星提供多個(gè)信號(hào)模糊性功能矩陣。然后，為每個(gè)可見衛(wèi)星，選擇最佳假定，例如，通過不相干地積分該矩陣，然后識(shí)別總和中最可能的峰值；或者通過將“檢測(cè)之前跟蹤(track before detect)”算法應(yīng)用于該矩陣所有峰值的坐標(biāo)。在任何情況下，使用一個(gè)恒定誤報(bào)警率檢測(cè)方案來識(shí)別峰值。
到固定信標(biāo)的偽距離僅是同步脈沖串序列的到達(dá)測(cè)量時(shí)間和根據(jù)GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的同步脈沖串序列的發(fā)送時(shí)間之間的差值乘以光速。注意到，因?yàn)橐苿?dòng)單元已經(jīng)經(jīng)定位器服務(wù)中心從參考單元接收到BTS時(shí)鐘和GPS系統(tǒng)時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，移動(dòng)單元可以向GPS系統(tǒng)時(shí)鐘參考這些發(fā)送時(shí)間。還注意到，因此，到BTS的偽距離參考應(yīng)用于GPS衛(wèi)星的相同距離偏移cb。因?yàn)橐苿?dòng)單元獲得每個(gè)固定信標(biāo)偽距離，并且因?yàn)橐苿?dòng)單元獲得每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)偽距離-偽距離變化率對(duì)，這些數(shù)據(jù)作為更新測(cè)量值輸入到一個(gè)動(dòng)態(tài)估計(jì)器以生成移動(dòng)單元位置的更新估計(jì)。動(dòng)態(tài)估計(jì)器最好根據(jù)一個(gè)線性最佳估計(jì)器，例如卡爾曼濾波器。動(dòng)態(tài)估計(jì)器需要移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)。這個(gè)初始估計(jì)是通過三角測(cè)量獲得的。在某些情況下，預(yù)定參考點(diǎn)，例如最近固定信標(biāo)的位置也可以用作移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)。
附圖的簡(jiǎn)要說明參考附圖，在此僅通過例子來描述本發(fā)明，在附圖中

圖1是本發(fā)明的移動(dòng)單元的方框圖；
圖2是本發(fā)明的定位器系統(tǒng)的示意圖；圖3是本發(fā)明的參考單元的方框圖；圖4是根據(jù)衛(wèi)星偽距離、衛(wèi)星偽距離變化率和基站偽距離的聯(lián)合位置估計(jì)的流程圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述本發(fā)明是根據(jù)來自諸如GPS衛(wèi)星的移動(dòng)信標(biāo)和來自諸如無線通信系統(tǒng)的基站的固定信標(biāo)的定時(shí)信號(hào)來定位一個(gè)移動(dòng)單元，例如無線通信系統(tǒng)的移動(dòng)單元的系統(tǒng)和方法。具體地說，本發(fā)明可以用于在諸如市區(qū)20環(huán)境中定位一個(gè)適當(dāng)配置的蜂窩電話機(jī)，在所述市區(qū)環(huán)境中很難同時(shí)建立到四個(gè)或更多GPS衛(wèi)星的視線。
盡管在此參考GPS系統(tǒng)和蜂窩電話網(wǎng)描述了本發(fā)明，顯然這種描述純粹是說明性的，如上所述，本發(fā)明的范圍延伸到使用任意合適類型的移動(dòng)和固定信標(biāo)。
參考附圖及其相關(guān)說明，可以更好地理解根據(jù)本發(fā)明的定位器系統(tǒng)和方法的原理和操作。
現(xiàn)在參見附圖，圖1是本發(fā)明的移動(dòng)單元10的部分高層方框圖。移動(dòng)單元l0包括天線12，用于接收由GPS衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號(hào)；下變頻器14，用于將從GPS衛(wèi)星接收到的射頻信號(hào)下變頻到中頻(IF)；數(shù)字化器16，用于數(shù)字化中頻信號(hào)；時(shí)鐘22，用于提供本地定時(shí)信號(hào)；存儲(chǔ)器18，用于存儲(chǔ)數(shù)字化的GPS信號(hào)；和GPS處理器20，用于處理在存儲(chǔ)器18中存儲(chǔ)的信號(hào)。移動(dòng)單元10還包括天線24，用于與蜂窩電話網(wǎng)的BTS交換射頻信號(hào)；蜂窩調(diào)制解調(diào)器26，用于下變頻和數(shù)字化從BTS接收到的控制信道射頻信號(hào)；存儲(chǔ)器27，用于存儲(chǔ)數(shù)字化的BTS信號(hào)；和蜂窩處理器28，用于如下所述參考來自時(shí)鐘22的定時(shí)信號(hào)處理數(shù)字化的BTS信號(hào)。GPS處理器20和蜂窩處理器28的輸出在聯(lián)合估計(jì)器30中協(xié)調(diào)，如下所述，以生成移動(dòng)單元10是其一部分的移動(dòng)單元的位置的聯(lián)合估計(jì)。GPS處理器20、蜂窩處理器28和聯(lián)合估計(jì)器20在管理單元29的統(tǒng)一管理下工作。具體地說，管理單元29確定補(bǔ)充數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，并使用蜂窩調(diào)制解調(diào)器26和天線24，如下所述，將這些請(qǐng)求作為射頻信號(hào)發(fā)送給BTS。
圖2是本發(fā)明的定位器系統(tǒng)40的示意圖。定位器系統(tǒng)40基于包括多個(gè)BTS44的常規(guī)蜂窩電話網(wǎng)42，并基于在圖2中用衛(wèi)星70表示的GPS系統(tǒng)。定位器系統(tǒng)40的地面部分在固定和已知位置上向蜂窩電話網(wǎng)42添加定位器服務(wù)中心46和多個(gè)參考單元50。每個(gè)參考單元50與一個(gè)或多個(gè)BTS44相關(guān)，并與這些BTS44通信，并經(jīng)最近的BTS44與服務(wù)中心46通信。移動(dòng)單元10還使用天線24和蜂窩調(diào)制解調(diào)器26經(jīng)最近的BTS44從服務(wù)中心46接收消息，如下所述。
圖3是參考單元50的高層方框圖。參考單元50包括一個(gè)蜂窩通信模塊(CCM)52，用于經(jīng)蜂窩網(wǎng)42與服務(wù)中心46通信；基于GPS的時(shí)間參考模塊66；和同步模塊60，用于如下所述使CCM52與基于GPS的時(shí)間參考模塊66同步。CCM52同時(shí)包括經(jīng)天線58的發(fā)射功能54和接收功能56。基于GPS的時(shí)間參考模塊66經(jīng)天線68接收GPS衛(wèi)星信號(hào)。同步模塊包括一個(gè)時(shí)鐘64，用于提供參考定時(shí)信號(hào)；和一個(gè)處理器62，用于如下所述建立GPS系統(tǒng)和與參考單元50相關(guān)的BTS44之間的定時(shí)偏差。每個(gè)參考單元50的主功能是確定這些定時(shí)偏差和將這些定時(shí)偏差發(fā)送給定位器服務(wù)中心46。參考單元50之一可以被設(shè)計(jì)為主參考單元。主參考單元具有從衛(wèi)星70接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息和將這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息發(fā)送給定位器服務(wù)中心46的附加功能。
定位器服務(wù)中心46是蜂窩電話網(wǎng)42的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其功能是協(xié)調(diào)移動(dòng)單元10和蜂窩電話網(wǎng)42之間的涉及移動(dòng)單元10的自定位功能的通信。具體地說，一旦從移動(dòng)單元10接收到一個(gè)查詢，定位器服務(wù)中心46向移動(dòng)單元10發(fā)送補(bǔ)充數(shù)據(jù)，例如GPS系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)BTS44之間的定時(shí)偏差，和可選地可見衛(wèi)星70的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息。聯(lián)合估計(jì)器30的功能可選地駐留在定位服務(wù)中心46中，GPS處理器20和蜂窩處理器28的輸出被發(fā)送給定位服務(wù)中心46以便協(xié)調(diào)。
由移動(dòng)單元10從GPS系統(tǒng)接收的信號(hào)作為時(shí)間t的函數(shù)是由可見的GPS衛(wèi)星70在時(shí)間t上發(fā)射的信號(hào)G(t)之和。由移動(dòng)單元10從任一衛(wèi)星70接收的信號(hào)用索引j索引，形式為Gj(t)＝KjDj(t-τj)gj(t-τj)exp[iω(t-τj)]其中i是-1的平方根；τj是從衛(wèi)星到移動(dòng)單元10的無線電波的實(shí)際單向傳播時(shí)間；Kj是根據(jù)在時(shí)間t上到衛(wèi)星j的實(shí)際距離Ri＝cτj和GPS天線增益模式的幅度因數(shù)；Dj(t-τi)是衛(wèi)星j在時(shí)間t-τj上的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息；gj(t-τj)是衛(wèi)星j在時(shí)間t-τj上的PN序列；和exp[iω(t-τj)]是一個(gè)多普勒因數(shù)，其多普勒頻率ω取決于衛(wèi)星j相對(duì)于移動(dòng)單元10的速度的徑向分量、時(shí)鐘22的偏差和移動(dòng)單元10中的其它缺陷因素。由移動(dòng)單元10接收的總信號(hào)G(t)是這些信號(hào)的總和，∑Gj(t)。
GPS處理器20中的處理目標(biāo)是為所有的可見衛(wèi)星測(cè)量ρj＝Rj+cb及其變化率的dρj/dt。注意到所有的偽距離ρj參考了同一距離偏差cb。如在現(xiàn)有技術(shù)的方法中，cb是隨后求解的一個(gè)未知量以確定移動(dòng)單元10的位置，所以并不需要明確地測(cè)量τj。
如在US5,663,734中，幾百秒長(zhǎng)的數(shù)字化總GPS信號(hào)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器18中，然后由GPS處理器20處理。US5,663,734和本發(fā)明的GPS處理之間的一個(gè)差別在于根據(jù)本發(fā)明，遠(yuǎn)多于5到10個(gè)PN序列幀的組被相干處理。
由移動(dòng)單元10接收的總信號(hào)由數(shù)字化器16過抽樣，在一個(gè)初始接收時(shí)間t0上開始，一般以每碼片兩個(gè)和四個(gè)抽樣之間的抽樣率進(jìn)行。使用每碼片四個(gè)抽樣，每幀總共有4×1023＝4092個(gè)抽樣。對(duì)于用索引j索引的每個(gè)可見衛(wèi)星70，這些抽樣作為矩陣Mij的連續(xù)列存儲(chǔ)，在每碼片四個(gè)抽樣的抽樣率的情況下，包括4092行和與在該計(jì)算中包括的連續(xù)幀數(shù)同樣多的列Mij的第一列，矩陣元素Mij(1，1)到Mij(4092，1)是第一4092個(gè)抽樣，對(duì)應(yīng)于第一毫秒長(zhǎng)的數(shù)據(jù)；Mij的第二列，矩陣元素Mij(1，2)到Mij(4092，2)是第二4092個(gè)抽樣，對(duì)應(yīng)于第二毫秒長(zhǎng)的數(shù)據(jù)；等，共有n列，n等于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器18中數(shù)據(jù)的幀數(shù)，每幀一毫秒。優(yōu)選地，為每個(gè)可見衛(wèi)星70作為矩陣Mij在存儲(chǔ)器18中存儲(chǔ)長(zhǎng)度在100毫秒和1000毫秒之間的數(shù)據(jù)(100到1000幀)。
第一處理步驟是解調(diào)每個(gè)矩陣Mij，即消除衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息Dj的影響。這通過將Mij的多個(gè)列組乘以Dj(t-τj)的對(duì)應(yīng)比特來進(jìn)行。進(jìn)行這種解調(diào)的一個(gè)必要前提是Dj的比特在大約1毫秒內(nèi)與Mij的列同步。這種同步在此被稱為移動(dòng)單元10與GPS系統(tǒng)的“近似同步”。
蜂窩電話網(wǎng)42可以在任何情況下與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘同步，例如，如果蜂窩電話網(wǎng)根據(jù)CDMA IS-95標(biāo)準(zhǔn)操作。移動(dòng)單元10以常規(guī)模式與蜂窩電話網(wǎng)42同步。因?yàn)榉涓C電話網(wǎng)42在時(shí)間上與GPS系統(tǒng)時(shí)間同步，移動(dòng)單元10還與GPS系統(tǒng)時(shí)間同步，從而能夠相對(duì)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息Dj解調(diào)矩陣Mij。
如果蜂窩電話網(wǎng)42不與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘同步，并且尤其是，如果BTS40彼此不同步，移動(dòng)單元10仍然可以經(jīng)定位器服務(wù)中心46從參考單元50獲得根據(jù)GPS時(shí)鐘的BTS44的同步脈沖串序列的發(fā)送時(shí)間。當(dāng)參考單元50的CCM52從與參考單元50相關(guān)的一個(gè)BTS44接收到同步脈沖串序列時(shí)，同步模塊60參考時(shí)鐘64確定BTS44和GPS系統(tǒng)之間的時(shí)間偏差。因?yàn)閰⒖紗卧?0和相關(guān)的BTS44的位置是已知和固定的，從每個(gè)相關(guān)BTS44到參考單元50的傳播時(shí)間也是已知的，所以時(shí)間偏差是指BTS44發(fā)送同步脈沖串序列的時(shí)間，而不是參考單元50接收同步脈沖串序列的時(shí)間。CCM52隨后將這個(gè)時(shí)間偏差發(fā)送給定位器服務(wù)中心46。為每個(gè)相關(guān)BTS44的同步脈沖串序列進(jìn)行該操作，以便定位器服務(wù)中心46始終具有來自GPS系統(tǒng)的所有BTS44的當(dāng)前時(shí)間偏差列表。最后，移動(dòng)單元10在請(qǐng)求的情況下從定位器服務(wù)中心46接收相關(guān)BTS44的當(dāng)前時(shí)間偏差。最近的BTS44與GPS系統(tǒng)的時(shí)間偏差由移動(dòng)單元10用于針對(duì)該偏差校正來自最近的BTS44的同步脈沖串序列的標(biāo)稱發(fā)送時(shí)間，從而獲得它自己與GPS系統(tǒng)時(shí)間在30毫秒內(nèi)的時(shí)間偏差T0的估計(jì)值。BTS44與GPS系統(tǒng)的時(shí)間偏差還用于獲得稱作距離偏差cb的BTS偽距離，如下所述。
如果用于構(gòu)造矩陣Mij的幀對(duì)應(yīng)于衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息首部比特或衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息轉(zhuǎn)移字比特，它們公用于所有衛(wèi)星70的衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息，則移動(dòng)單元10或者先驗(yàn)知道這些比特(在首部比特的情況下)，或者根據(jù)一周的時(shí)間計(jì)算出這些比特(在轉(zhuǎn)移字比特的情況下)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，其中主參考單元被指定接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息，并將這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息轉(zhuǎn)發(fā)給定位器服務(wù)中心46，移動(dòng)單元10將一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送給定位器服務(wù)中心46以獲得衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息Dj，從而衛(wèi)星數(shù)據(jù)消息Dj的與衛(wèi)星有關(guān)的比特可以被用于解調(diào)矩陣Mij。
第二處理步驟是通過對(duì)矩陣Mij的每一行執(zhí)行離散正交變換將每個(gè)矩陣Mij轉(zhuǎn)換成Miij，從而將這些行從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，以便矩陣Miij是在混合時(shí)間-頻率域內(nèi)。最佳的離散正交變換是離散傅立葉變換，盡管本發(fā)明的范圍包括其它變換，例如沃爾什-哈德曼變換，各種小波變換和哈特利變換。
第三處理步驟是將每個(gè)矩陣Miij的元素與多普勒補(bǔ)償因數(shù)相乘。用于矩陣Miij的(r，d)元素的多普勒補(bǔ)償因數(shù)的形式是exp(-2πirm(dn+h)),]]>其中m是矩陣Miij中的行數(shù)，n是矩陣Miij中的列數(shù)，和h是以KHz測(cè)量的信號(hào)Gj(t)的多普勒頻移的整數(shù)部分。注意到，對(duì)于矩陣Mij每列的一個(gè)一毫秒PN幀，矩陣Miij的每行橫跨一KHz。一開始，每個(gè)衛(wèi)星70的多普勒頻移可以由移動(dòng)單元10估計(jì)在大約4KHz。因此，需要四組不同的多普勒補(bǔ)償因數(shù)，導(dǎo)致用于每個(gè)衛(wèi)星j的四個(gè)不同的矩陣Miij。因此，如下所述，獲得衛(wèi)星70的多普勒頻移的更準(zhǔn)確的估計(jì)，并且每個(gè)衛(wèi)星j僅需要一個(gè)矩陣Miij。為了簡(jiǎn)明，隨后討論根據(jù)本發(fā)明如何測(cè)量GPS偽距離和偽距離的變化率將以每個(gè)衛(wèi)星j單個(gè)矩陣Miij的形式進(jìn)行。
第四處理步驟是卷積每個(gè)矩陣Miij的每一列與衛(wèi)星j的PN序列以生成一個(gè)矩陣Mj，這在距離和頻率上等價(jià)于匹配濾波器，在雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域被稱作“信號(hào)模糊性函數(shù)”。參見，例如Fred E.Nathanson的雷達(dá)設(shè)計(jì)原理(Radar DesignPrinciple)第二版(McGraw-Hill，1991)。通過在移動(dòng)單元10與GPS系統(tǒng)近似同步之后，使用解調(diào)信號(hào)模糊性函數(shù)使得本發(fā)明能夠相干處理遠(yuǎn)多于在Krasner的US5,663,734中相干處理的5到10個(gè)PN序列幀。最佳的卷積方法是公知的快速卷積法，同樣被Krasner在US5,663,734中使用對(duì)矩陣Miij的一列執(zhí)行離散傅立葉變換，將變換后的列乘以PN序列的離散傅立葉變換，并求逆該列的離散傅立葉變換。注意到將矩陣Miij的元素乘以多普勒補(bǔ)償因數(shù)與衛(wèi)星有關(guān)的部分exp(-2πirhm)]]>可以被推遲到這一步驟，并且對(duì)于Miij的每個(gè)變換列，通過在將變換列乘以PN序列的離散傅立葉變換之前，適當(dāng)?shù)匾莆籔N序列的離散傅立葉變換來進(jìn)行。還注意到Mj的矩陣元素是復(fù)數(shù)。就其元素的平方值來說，矩陣Mj的整體外觀是一組普通背景電平上的峰值。一個(gè)峰值的行坐標(biāo)是其偽距離(距離單位)，一個(gè)峰值的列坐標(biāo)(頻率單位)正比于其偽距離的變化率(速度單位)。
盡管矩陣Mij的最佳結(jié)構(gòu)每列一幀，還可以每列多幀來構(gòu)造矩陣Mij，只要為每列使用整數(shù)個(gè)幀。使用每列一幀為確定偽距離的變化率提供了最佳分辨度。
一種恒定誤報(bào)警率檢測(cè)方案用于識(shí)別峰值。該檢測(cè)方案最好基于一個(gè)自適應(yīng)閾值，基于所獲得的背景電平，逐矩陣元素地，通過平均圍繞目標(biāo)矩陣元素的一個(gè)窗口(例如8×8窗口或16×16窗口)中的所有矩陣元素的平方值。其平方值超過它們的本地平均值一個(gè)閾值因數(shù)的矩陣元素組是矩陣元素的孤立群的形式，每個(gè)群對(duì)應(yīng)于一個(gè)峰值。峰值坐標(biāo)是該群的質(zhì)心，用該群中矩陣元素的幅度加權(quán)。如現(xiàn)有技術(shù)中公知的，通過所需的最大誤報(bào)警率來確定閾值因數(shù)。
這一過程的輸出是一組與初始接收時(shí)間t0相關(guān)的偽距離ρj及其變化率dρj/dt的假定。在這一點(diǎn)上，與最可能是ρj和dρj/dt的最可靠測(cè)量值的峰值(例如最高峰值)相關(guān)的假定可以被選擇以提供確定ρj和dρj/dt的坐標(biāo)。然而，最好根據(jù)數(shù)字化總GPS信號(hào)的多個(gè)連續(xù)實(shí)例，生成矩陣Mj的多個(gè)實(shí)例。最好如此生成每個(gè)矩陣Mj五到十個(gè)這樣的實(shí)例。隨后的處理是為衛(wèi)星j獲得基于集總處理的所有Mj實(shí)例的ρj和dρj/dt的值。
集總處理Mj實(shí)例的一種方法是將它們非相干地積分。在標(biāo)準(zhǔn)非相干的積分中，所有實(shí)例的矩陣元素用它們的平方值替換；這些實(shí)例逐矩陣元素地彼此相加以生成一個(gè)求和矩陣；上述誤報(bào)警檢測(cè)方案用于識(shí)別求和矩陣的峰值；最可能是ρj和dρj/dt的最可靠測(cè)量值的峰值(例如最高峰值)坐標(biāo)，被采用為ρj和dρj/dt的值。在二進(jìn)制非相干積分中，所有實(shí)例的矩陣元素用它們的平方值替換，但是隨后該恒定誤報(bào)警檢測(cè)方案被用于比較每個(gè)矩陣元素和一個(gè)閾值。超過閾值的矩陣元素用一替換，所有的其它矩陣元素用零替換。現(xiàn)在這些實(shí)例逐矩陣元素的彼此相加，以生成一個(gè)求和矩陣，并將第二閾值應(yīng)用于該求和矩陣以識(shí)別其峰值。再次，最可能表示ρj和dρj/dt的最可靠測(cè)量值的求和矩陣的峰值坐標(biāo)被用作的ρi和dρj/dt的值。
另一種獲得基于集總處理的所有Mj實(shí)例的ρj和dρj/dt值的方法是與非相干積分中同樣地將所有實(shí)例的矩陣元素用它們的平方值替換，但是隨后將恒定誤報(bào)警率檢測(cè)方案分別應(yīng)用于每個(gè)實(shí)例以為每個(gè)實(shí)例獲得一組ρi和dρj/dt的假定。這些假定和它們的相關(guān)開始時(shí)間被輸入給一個(gè)“檢測(cè)之前跟蹤”的識(shí)別方案以識(shí)別最可能的假定。“檢測(cè)之前跟蹤”是一種在雷達(dá)技術(shù)中公知的用于識(shí)別低信噪比環(huán)境下目標(biāo)的方法。參見，例如上面引用的Fred E.Nathanson的書。
到BTS44的偽距離是所測(cè)量的同步脈沖串序列的到達(dá)時(shí)間和根據(jù)GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的同步脈沖串序列的標(biāo)稱發(fā)送時(shí)間之間的差值。如果蜂窩電話網(wǎng)42與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘同步，則根據(jù)時(shí)鐘22的同步脈沖串序列的標(biāo)稱發(fā)送時(shí)間以時(shí)間偏差T0偏離它們的實(shí)際時(shí)間，該時(shí)間偏差是根據(jù)時(shí)鐘22衛(wèi)星70的PN序列的標(biāo)稱發(fā)送時(shí)間與它們的實(shí)際時(shí)間的偏差。因此，到衛(wèi)星70和到BTS44的所有偽距離共享同一距離偏差cb。如果蜂窩電話網(wǎng)42與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘不同步，則移動(dòng)單元10從定位器服務(wù)中心46獲得BTS44與GPS系統(tǒng)的時(shí)間偏差，如上所述在為了解調(diào)目的移動(dòng)單元10與GPS系統(tǒng)近似同步的情況下。移動(dòng)單元10隨后使用這些時(shí)間偏差來校正如由時(shí)鐘22測(cè)量的來自BTS44的同步脈沖串序列的到達(dá)時(shí)間，以便到BTS44的偽距離參考與到衛(wèi)星70的偽距離相同的距離偏差cb。到可見衛(wèi)星70的偽距離、到可見衛(wèi)星70的偽距離的變化率和到BTS44的偽距離被輸入給聯(lián)合估計(jì)器30。
現(xiàn)在將討論由聯(lián)合估計(jì)器30組合來自GPS處理器20的偽距離ρ和偽距離變化率dρ/dt以及來自蜂窩處理器28的估計(jì)偽距離ρ以獲得移動(dòng)單元10位置的方法。這種方法的本質(zhì)是使用每個(gè)新的測(cè)量值(與一個(gè)特定衛(wèi)星70有關(guān)的偽距離ρ和偽距離變化率dρ/dt或與一個(gè)特定BTS44有關(guān)的偽距離ρ)，當(dāng)獲得測(cè)量值時(shí)，更新移動(dòng)單元10的位置矢量r＝(x，y，z)T和速度矢量v＝(vx，vy，vz)T的先驗(yàn)估計(jì)。(因此，該測(cè)量值在此被稱作“更新測(cè)量值”)。如果移動(dòng)單元10在連續(xù)的測(cè)量值之間保持固定和如果距離偏差cb在連續(xù)的測(cè)量值之間保持不變，或者根據(jù)矩陣Mj獲得四個(gè)或更多的測(cè)量值，所述矩陣Mj根據(jù)移動(dòng)單元10同時(shí)從GPS系統(tǒng)接收到的信號(hào)計(jì)算出來，將可以通過三角測(cè)量固定移動(dòng)單元10的位置。因?yàn)橐苿?dòng)單元10運(yùn)動(dòng)并且cb可能在連續(xù)的測(cè)量值之間漂移，如果將使用根據(jù)移動(dòng)單元10在不同時(shí)間上接收到的GPS信號(hào)而獲得的測(cè)量值，或者如果將使用到BTS44的偽距離，必須使用一種考慮移動(dòng)單元10的運(yùn)動(dòng)和時(shí)鐘22的漂移的估計(jì)r的方法。這樣一種方法在此被稱作“動(dòng)態(tài)”估計(jì)法。最佳動(dòng)態(tài)估計(jì)法屬于線性最佳估計(jì)器類。最佳動(dòng)態(tài)估計(jì)法基于一個(gè)卡爾曼濾波器。現(xiàn)在將詳細(xì)描述這種方法。
在r和v的更新中，假定移動(dòng)單元10以已知的方式運(yùn)動(dòng)。作為例子在此使用的移動(dòng)單元10的運(yùn)動(dòng)模型是帶有附加隨機(jī)噪聲的線性運(yùn)動(dòng)。也可以使用其它模型，例如被限制沿著一條已知路徑的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)移動(dòng)單元10運(yùn)動(dòng)的線性模型，如果移動(dòng)單元10在時(shí)間tk-1上的位置矢量是rk-1，移動(dòng)單元10在時(shí)間tk-1上的速度矢量是vk-1，則在時(shí)間tk＝tk-1+δk上的位置和速度矢量是rk＝rk- 1+vk-1δk和vk＝vk-1。距離偏差cb被定義為由時(shí)鐘22和GPS時(shí)鐘測(cè)量的時(shí)間差值乘以光速c，距離漂移cd被定義為d(cb)/dt。則cb(k)＝cb(k-1)+cd(k-1)δk和cd(k)＝cd(k-1)。該(八個(gè)分量)的導(dǎo)航矢量n被定義為r、v、cb的級(jí)聯(lián)，cdn＝(x，y，z，vx，vy，vz，cb，cd)T。
卡爾曼濾波器的狀態(tài)矢量e＝(δx，δy，δz，δvx，δvy，δvz，δcb，δcd)T是所估計(jì)的導(dǎo)航誤差，即實(shí)際導(dǎo)航矢量和線性傳播導(dǎo)航矢量之間的差值。這個(gè)狀態(tài)矢量符合傳播等式ek＝Ak-1ek-1+wk-1其中躍遷矩陣Ak-1是Ak-1=100δk00000100δk00000100δk000001000000001000000001000000001δkc00000001]]>其中Wk-1是處理噪聲，Wk通過模型噪聲協(xié)方差矩陣Qk-1來定義δk-1=wk-1wk-1T=RWk00000000RWy00000000000000000000000000000000000000000000000000000W]]>其中RWx和RWy是被模型化為隨機(jī)游動(dòng)的在x和y方向上的處理噪聲的協(xié)方差(注意假定移動(dòng)單元10基本上在(x，y)平面上運(yùn)動(dòng))，W是被模型化為白噪聲的距離偏移誤差協(xié)方差。
在移動(dòng)單元10的位置矢量r和速度矢量v更新之后，狀態(tài)矢量e立即用零來定義。隨后，直到下一次測(cè)量，當(dāng)導(dǎo)航矢量n在時(shí)間上向前傳播時(shí)，狀態(tài)矢量的協(xié)方差，一個(gè)8×8矩陣P也在時(shí)間上向前傳播
P-k＝AP+k-1AT+Qδk在此，上標(biāo)“+”是指最新更新之后的P的后驗(yàn)估計(jì)，下標(biāo)“-”是指在下一更新之前的P的先驗(yàn)估計(jì)。P的初始化被討論如下。
根據(jù)來自衛(wèi)星70的一個(gè)信號(hào)獲得的測(cè)量值是一個(gè)二分量矢量，z＝(ρ，dρ/dt)T。將狀態(tài)矢量e與在時(shí)間tk上的測(cè)量矢量相關(guān)的矩陣Hk是Hk=uxuyuz00010000uxuyuz01]]>其中矢量u＝(ux，uy，uz)是從移動(dòng)單元10的估計(jì)位置到衛(wèi)星70的單位矢量u＝(rk-sk)/|rk-sk|rk是通過如上所述的前向傳播獲得的先驗(yàn)移動(dòng)單元10位置矢量。sk是由GPS處理器20使用衛(wèi)星70的衛(wèi)星星歷圖和時(shí)間模型獲得的時(shí)間tk上的衛(wèi)星70的位置矢量。
根據(jù)來自BTS44的一個(gè)信號(hào)獲得的測(cè)量值是一個(gè)標(biāo)量(單分量矢量)，z＝ρ。將狀態(tài)矢量e與在時(shí)間tk上的測(cè)量矢量相關(guān)的矩陣Hk是Hk＝(uxuyuz0 0 0 1 0)其中矢量u＝(ux，uy，uz)是從移動(dòng)單元10到BTS44的單位矢量。注意到BTS44的位置是固定和已知的。
在兩種情況下，通過相乘該測(cè)量值和卡爾曼增益矩陣Kk獲得一個(gè)e的估計(jì)值Kk=P-kHkT(HkP-kHkT+Rk)-1]]>e＝kkz其中測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣Rk對(duì)于一個(gè)衛(wèi)星測(cè)量值是Rk=σr200σdτ/dt2]]>對(duì)于一個(gè)BTS測(cè)量值是Rk=(στ2)]]>σk的對(duì)角元素是對(duì)應(yīng)的偽距離和偽距離變化率測(cè)量誤差的協(xié)方差。獲得一個(gè)新的P的后驗(yàn)估計(jì)如下P+k＝(I-KkHk)P-k其中I是單位矩陣。最后，通過相加狀態(tài)矢量e和一個(gè)先驗(yàn)導(dǎo)航矢量nk獲得一個(gè)后驗(yàn)導(dǎo)航矢量nk+xk+＝xk+δx，yk+＝y(tǒng)k+δy，zk+＝zk+δz，vxk+＝vxk+δvx，vyk+＝vyk+δvy，vzk+＝vzk+δvz，cbk+＝cbk+δcb和cdk+＝cdk+δcd。
圖4是由聯(lián)合估計(jì)器30執(zhí)行以跟蹤移動(dòng)單元10運(yùn)動(dòng)的整體處理的流程圖。通過將協(xié)方差矩陣P的對(duì)角元素設(shè)置為反映r、v、cb和cd的誤差的初始標(biāo)準(zhǔn)偏差的初始值，并利用導(dǎo)航矢量n的初始估計(jì)初始化該處理(方框100)。下面討論如何獲得n的初始估計(jì)值。在方框102，聯(lián)合估計(jì)器30確定是否已經(jīng)從GPS處理器20或者從蜂窩處理器28獲得一個(gè)測(cè)量矢量z。如果尚未獲得一個(gè)測(cè)量值，則聯(lián)合估計(jì)器30如上所述在時(shí)間上向前傳播導(dǎo)航矢量n(方框104)。如果已獲得一個(gè)測(cè)量值，則聯(lián)合估計(jì)器使用上述卡爾曼濾波器以獲得導(dǎo)航矢量n的后驗(yàn)估計(jì)(方框106)。注意到n的這一更新基于單個(gè)新測(cè)量值，與在現(xiàn)有技術(shù)的GPS導(dǎo)航中使用卡爾曼濾波器不同，其中需要至少四個(gè)獨(dú)立的同時(shí)測(cè)量值。報(bào)告該后驗(yàn)估計(jì)(方框108)，聯(lián)合估計(jì)器30再次檢查來自GPS處理器20或者來自蜂窩處理器28的一個(gè)新測(cè)量矢量z。
存在可以獲得導(dǎo)航矢量n的初始估計(jì)值的多種方法。最簡(jiǎn)單的，一個(gè)靜態(tài)估計(jì)值在方框100中被用作r的初始估計(jì)值，并將v初始設(shè)置為零。利用靜態(tài)估計(jì)意味著在執(zhí)行測(cè)量時(shí)移動(dòng)單元10并不移動(dòng)和在執(zhí)行測(cè)量時(shí)距離偏差cb固定的假定下執(zhí)行估計(jì)。最簡(jiǎn)單的r的“靜態(tài)”估計(jì)是預(yù)先定義的參考點(diǎn)的位置，例如距離移動(dòng)單元10最近的BTS44。cb和cd也被初始化為零。如果前四個(gè)測(cè)量值是衛(wèi)星測(cè)量值，這種估計(jì)適合在圖4的方框100中使用，因?yàn)樵谑褂靡粋€(gè)陸地參考點(diǎn)位置中的誤差遠(yuǎn)小于到衛(wèi)星的距離。使用三角測(cè)量來組合來自衛(wèi)星的初始測(cè)量值和來自BTS44的初始測(cè)量值，條件是使用來自BTS44的測(cè)量值的等式是完全(二次)三角測(cè)量等式|s-r|＝ρ-cb，而不是線性化等式，因?yàn)锽TS44距離移動(dòng)單元10很近以至于不能驗(yàn)證該等式的線性化。同時(shí)求解二次和線性等式的數(shù)學(xué)技術(shù)是公知的，在此不需要描述。
一旦開始移動(dòng)單元10的跟蹤，上述處理可以更加準(zhǔn)確和有效。例如，可以更準(zhǔn)確地估計(jì)信號(hào)Gj(t)的多普勒頻移?？偠嗥绽疹l移是三項(xiàng)之和由于衛(wèi)星j運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移、由于移動(dòng)單元10運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移和時(shí)鐘22漂移的影響。第一項(xiàng)可以根據(jù)衛(wèi)星j的星歷圖和時(shí)間模型計(jì)算。移動(dòng)單元10運(yùn)動(dòng)很慢，因此可以忽略第二項(xiàng)。在總多普勒頻移中主要的初始不確定性在于第三項(xiàng)；但是該項(xiàng)可以從導(dǎo)航矢量n的距離偏移分量cd推導(dǎo)出。然后可以獲得一個(gè)h的估計(jì)值，Gj(t)的多普勒頻移的整數(shù)部分(以上述初始估計(jì)值精確得多)，以用于矩陣Miij的多普勒補(bǔ)償因數(shù)中。而且，與整個(gè)矩陣Mi的1KHz范圍相比，最可能包含對(duì)應(yīng)于ρj和dρj/dt的峰值的Mj的列可以被預(yù)計(jì)在10至20Hz內(nèi)，所以僅需要通過矩陣Mij的離散正交變換生成矩陣Miij的這些列。
另選地，在已經(jīng)為一個(gè)衛(wèi)星70計(jì)算出偽距離及其偽距離的變化率之后，通過將所計(jì)算的最近BTS44的多普勒頻移從對(duì)應(yīng)于到這個(gè)衛(wèi)星70的偽距離變化率的明顯的多普勒頻移減去，移動(dòng)單元可以估計(jì)總多普勒頻移的時(shí)鐘偏移項(xiàng)。該所估計(jì)的時(shí)鐘偏移項(xiàng)與其它衛(wèi)星70的移動(dòng)所導(dǎo)致的已知多普勒頻移相加以提供其它衛(wèi)星70的總多普勒頻移的估計(jì)值。
雖然已經(jīng)參考有限個(gè)實(shí)施例描述了本發(fā)明，顯然也可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變型、修改和其它應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種確定到一個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，所述信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每一塊與一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘，該信號(hào)相對(duì)于一個(gè)標(biāo)稱頻率偏移一個(gè)頻移，該方法包括步驟(a)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；(c)將該數(shù)字化信號(hào)排列為包括多行的一個(gè)輸入矩陣的列，每個(gè)所述列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的所述數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)的所述比特；和(d)對(duì)所述輸入矩陣的所述每行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換，從而生成一個(gè)變換矩陣。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述整數(shù)為1。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述離散正交變換是一個(gè)離散傅立葉變換。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述變換矩陣包括多個(gè)元素，該方法還包括步驟(e)將所述變換矩陣的每個(gè)所述元素乘以一個(gè)相應(yīng)的多普勒補(bǔ)償因數(shù)。
5.權(quán)利要求4的方法，還包括步驟(f)提供一個(gè)頻移估計(jì)值，所述多普勒補(bǔ)償因數(shù)基于所述頻移估計(jì)值。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述變換矩陣具有比所述輸入矩陣更少的所述列，所述頻移估計(jì)值被用于確定所述變換矩陣的哪些所述列通過所述離散正交變換生成。
7.權(quán)利要求4的方法，還包括步驟(f)卷積所述變換矩陣的每個(gè)所述列與偽噪聲序列。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括步驟(g)在所述變換矩陣中識(shí)別至少一個(gè)峰值，每個(gè)所述至少一個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括步驟(h)從所述至少一個(gè)峰值中選擇一個(gè)最可能的峰值，所述最可能的峰值的所述行坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離，和所述最可能峰值的所述列坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離的變化率。
10.權(quán)利要求8的方法，其中對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述排列、所述執(zhí)行、所述相乘、所述卷積和所述識(shí)別，該方法還包括步驟(h)根據(jù)所述行坐標(biāo)和所述列坐標(biāo)推斷出偽距離和偽距離的變化率。
11.權(quán)利要求10的方法，其中使用一個(gè)檢測(cè)之前跟蹤識(shí)別方案來執(zhí)行所述推斷。
12.權(quán)利要求7的方法，對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述排列、所述執(zhí)行、所述相乘和所述卷積以生成對(duì)應(yīng)的多個(gè)所述變換矩陣，該方法還包括步驟(h)非相干地積分所述變換矩陣以生成一個(gè)求和矩陣；和(i)在所述求和矩陣中識(shí)別至少一個(gè)峰值，每個(gè)所述至少一個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)。
13.權(quán)利要求12的方法，還包括步驟(j)從所述至少一個(gè)峰值中選擇一個(gè)最可能的峰值，所述最可能的峰值的所述行坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離，和所述最可能峰值的所述列坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離的變化率。
14.權(quán)利要求4的方法，還包括步驟(g)提供頻移的多個(gè)估計(jì)值，從而為所述變換矩陣的每個(gè)所述元素生成基于所述頻移估計(jì)值的對(duì)應(yīng)多個(gè)所述各多普勒補(bǔ)償因數(shù)；其中為每個(gè)所述頻移估計(jì)值分別執(zhí)行所述相乘，從而生成對(duì)應(yīng)多個(gè)多普勒補(bǔ)償矩陣。
15.權(quán)利要求1的方法，還包括步驟(e)在將所述數(shù)字化信號(hào)排列為所述輸入矩陣的列之前，將對(duì)應(yīng)于所發(fā)送信號(hào)塊的所述數(shù)字化信號(hào)的所述比特的組乘以數(shù)據(jù)序列的相應(yīng)比特。
16.一種確定到多個(gè)信標(biāo)中每個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，每個(gè)信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的相應(yīng)信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)塊與一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘，該偽噪聲序列和數(shù)據(jù)序列唯一地與各個(gè)衛(wèi)星相關(guān)，所有的偽噪聲序列長(zhǎng)度相同，偽噪聲序列是相互正交的，該方法包括步驟(a)集總接收被發(fā)射的信號(hào)作為一個(gè)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所述被接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；和(c)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，將對(duì)應(yīng)于由所述每個(gè)信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)塊的所述數(shù)字化信號(hào)的所述比特的組乘以所述每個(gè)信標(biāo)的數(shù)據(jù)序列的相應(yīng)比特。
17.權(quán)利要求16的方法，還包括步驟(d)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，將所述數(shù)字化信號(hào)排列為包括多行的第一矩陣的一個(gè)對(duì)應(yīng)實(shí)例的列，每個(gè)所述列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的所述數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)的所述比特；和(e)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，對(duì)所述第一矩陣的所述對(duì)應(yīng)實(shí)例的每個(gè)所述行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述第一矩陣的每個(gè)所述實(shí)例包括多個(gè)元素，該方法還包括步驟對(duì)于每個(gè)信標(biāo)(f)將所述第一矩陣的所述對(duì)應(yīng)實(shí)例的每個(gè)所述元素乘以一個(gè)相應(yīng)的多普勒補(bǔ)償因數(shù)；和(g)卷積所述第一矩陣的所述對(duì)應(yīng)實(shí)例的每個(gè)所述列與所述每個(gè)信標(biāo)的所述偽噪聲序列。
19.權(quán)利要求18的方法，還包括步驟(h)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，在所述第一矩陣的所述對(duì)應(yīng)實(shí)例中識(shí)別至少一個(gè)峰值，每個(gè)所述至少一個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)。
20.權(quán)利要求19的方法，還包括步驟(i)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，從所述至少一個(gè)峰值中選擇一個(gè)最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于所述每個(gè)信標(biāo)的偽距離，和所述最可能峰值的所述列坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于所述每個(gè)信標(biāo)的偽距離的變化率。
21.權(quán)利要求20的方法，其中對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述乘以數(shù)據(jù)序列的相應(yīng)比特、所述排列、所述執(zhí)行、把所述元素乘以所述多普勒補(bǔ)償因數(shù)、所述卷積和所述識(shí)別，該方法還包括步驟(j)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，根據(jù)對(duì)應(yīng)于所述每個(gè)信標(biāo)的所述行坐標(biāo)和所述列坐標(biāo)推斷出所述每個(gè)信標(biāo)的偽距離和所述每個(gè)信標(biāo)的偽距離變化率。
22.權(quán)利要求18的方法，其中對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述乘以數(shù)據(jù)序列的相應(yīng)比特、所述排列、所述執(zhí)行、把所述元素乘以所述多普勒補(bǔ)償因數(shù)、和所述卷積以為每個(gè)信標(biāo)生成對(duì)應(yīng)多個(gè)所述第二矩陣，該方法還包括步驟對(duì)于每個(gè)信標(biāo)(h)非相干地積分所述第二矩陣以生成一個(gè)求和矩陣；和(i)在所述求和矩陣中識(shí)別至少一個(gè)峰值，每個(gè)所述至少一個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)。
23.權(quán)利要求22的方法，還包括步驟對(duì)于每個(gè)信標(biāo)(j)從所述至少一個(gè)峰值中選擇一個(gè)最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離，和所述最可能峰值的所述列坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離的變化率。
24.權(quán)利要求16的方法，其中所述數(shù)據(jù)序列的所述各比特公用于所有信標(biāo)。
25.一種接收機(jī)，用于接收一個(gè)信標(biāo)所發(fā)射的一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，包括(a)一個(gè)用于接收被發(fā)射信號(hào)的天線；(b)一個(gè)用于數(shù)字化所接收的信號(hào)以生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)的裝置；(c)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于將該數(shù)字化信號(hào)作為一個(gè)包括多行的矩陣的列存儲(chǔ)，每個(gè)所述列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的所述數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)的所述多個(gè)比特；和(d)一個(gè)處理器，用于對(duì)所述矩陣的所述每行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
26.一種用于定位一個(gè)移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)至少一個(gè)信標(biāo)，具有一個(gè)相應(yīng)的偽噪聲序列和一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)序列，每個(gè)所述數(shù)據(jù)序列包括多個(gè)比特，所述至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)，每個(gè)所述各發(fā)射信號(hào)包括多個(gè)塊，每個(gè)所述塊包括所述各偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)所述塊與所述各數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特相乘；(b)一個(gè)參考單元包括(i)一個(gè)參考單元接收機(jī)，用于(A)接收所述至少一個(gè)發(fā)射信號(hào)作為一個(gè)參考單元接收信號(hào)；和(B)從所述各參考單元接收信號(hào)中恢復(fù)所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列；(ii)一個(gè)發(fā)射機(jī)，用于向至少一個(gè)移動(dòng)單元發(fā)送所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列；和(c)在移動(dòng)單元中(i)第一移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收所述至少一個(gè)數(shù)據(jù)序列；和(ii)第二移動(dòng)單元接收機(jī)，包括(A)一個(gè)天線，用于集總接收至少一個(gè)發(fā)射信號(hào)作為一個(gè)移動(dòng)單元接收信號(hào)；(B)一個(gè)用于數(shù)字化移動(dòng)單元接收信號(hào)以生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)的裝置；(C)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于為至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)存儲(chǔ)所述數(shù)字化信號(hào)的一個(gè)實(shí)例；和(D)一個(gè)處理器，用于相乘所述數(shù)字化信號(hào)的每個(gè)所述至少一個(gè)實(shí)例與所述各數(shù)據(jù)序列的所述多個(gè)比特。
27.權(quán)利要求26的定位器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)在發(fā)送所述各發(fā)送信號(hào)的同時(shí)可操作地沿著一條已知相應(yīng)軌跡運(yùn)動(dòng)。
28.權(quán)利要求26的定位器系統(tǒng)，其中所述處理器可操作地為至少一個(gè)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)將所述存儲(chǔ)器中的所述數(shù)字化信號(hào)的所述對(duì)應(yīng)實(shí)例排列為一個(gè)包括多行的矩陣的列，每個(gè)所述列包括所述對(duì)應(yīng)實(shí)例的連續(xù)的所述比特，所述對(duì)應(yīng)實(shí)例對(duì)應(yīng)于所述各偽噪聲序列的整數(shù)個(gè)幀，并對(duì)所述矩陣的每個(gè)所述行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
29.一種用于確定接收機(jī)位置的方法，包括步驟(a)提供具有各自偽噪聲序列的多個(gè)信標(biāo)，所有的所述偽噪聲序列長(zhǎng)度相同；(b)由每個(gè)所述信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)包括所述各偽噪聲序列的多個(gè)幀；(c)由接收機(jī)集總接收所發(fā)射的信號(hào)作為一個(gè)接收信號(hào)；(d)為每個(gè)信標(biāo)推斷一個(gè)偽距離和所述偽距離的變化率；和(e)根據(jù)所述偽距離和所述偽距離的所述變化率推斷接收機(jī)的位置。
30.權(quán)利要求29的方法，其中由下述步驟執(zhí)行所述偽距離和所述變化率的所述推斷(i)數(shù)字化所述被接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；(ii)對(duì)于每個(gè)所述信標(biāo)，將所述數(shù)字化信號(hào)排列為包括多行的一個(gè)矩陣的列，每個(gè)所述列包括對(duì)應(yīng)于所述偽噪聲序列的整數(shù)個(gè)所述幀的所述數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)的所述比特；和(iii)對(duì)于每個(gè)信標(biāo)，對(duì)所述矩陣的每個(gè)所述行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
31.一種確定到一個(gè)信標(biāo)的偽距離及其變化率的方法，所述信標(biāo)發(fā)送一個(gè)包括多個(gè)塊的信號(hào)，每個(gè)塊包括一個(gè)偽噪聲序列的多個(gè)幀，每個(gè)塊乘以一個(gè)數(shù)據(jù)序列的一個(gè)比特，該信號(hào)相對(duì)于一個(gè)標(biāo)稱頻率被偏移一個(gè)多普勒頻移，該方法包括步驟(a)接收信號(hào)；(b)數(shù)字化所接收的信號(hào)，從而生成一個(gè)包括多個(gè)比特的數(shù)字化信號(hào)；(c)將一個(gè)匹配濾波器算法應(yīng)用于所述數(shù)字化信號(hào)以從中提取偽距離和偽距離的變化率，所述匹配濾波器算法包括(i)相對(duì)于該數(shù)據(jù)序列解調(diào)所述數(shù)字化信號(hào)。
32.權(quán)利要求31的方法，還包括步驟(d)在所述解調(diào)之前，同步數(shù)據(jù)序列的多個(gè)比特與所述數(shù)字化信號(hào)。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述同步在大約一個(gè)毫秒之內(nèi)。
34.權(quán)利要求31的方法，其中所述匹配濾波器算法還包括(ii)將所述數(shù)字化信號(hào)排列為包括多行的一個(gè)矩陣的列，每個(gè)所述列包括對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)偽噪聲序列幀的所述數(shù)字化信號(hào)的連續(xù)的所述比特；和(iii)對(duì)每個(gè)所述行執(zhí)行一個(gè)離散正交變換。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述矩陣包括多個(gè)元素，并且其中所述匹配濾波器算法還包括(iv)將每個(gè)所述元素乘以一個(gè)相應(yīng)的多普勒補(bǔ)償因數(shù)。
36.權(quán)利要求35的方法，其中所述匹配濾波器算法還包括(v)卷積每個(gè)所述列與偽噪聲序列；和(vi)在所述矩陣中識(shí)別至少一個(gè)峰值，所述至少一個(gè)峰值中的每個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)。
37.權(quán)利要求36的方法，其中對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述排列、所述執(zhí)行、所述相乘、所述卷積和所述識(shí)別，其中所述匹配濾波器算法還包括(vii)根據(jù)所述行坐標(biāo)和所述列坐標(biāo)推斷出偽距離和偽距離的變化率。
38.權(quán)利要求36的方法，對(duì)發(fā)送信號(hào)的多個(gè)實(shí)例執(zhí)行所述接收、所述數(shù)字化、所述排列、所述執(zhí)行、所述相乘和所述卷積以生成對(duì)應(yīng)的多個(gè)所述矩陣，其中所述匹配濾波器算法還包括(viii)非相干地積分所述矩陣以生成一個(gè)求和矩陣；和(ix)在所述求和矩陣中識(shí)別至少一個(gè)峰值，所述至少一個(gè)峰值中每個(gè)峰值具有一個(gè)行坐標(biāo)和一個(gè)列坐標(biāo)；和(x)從所述至少一個(gè)峰值中選擇一個(gè)最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離，和所述最可能峰值的所述列坐標(biāo)則對(duì)應(yīng)于偽距離的變化率。
39.一種定位一個(gè)移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)異步固定信標(biāo)，每個(gè)所述固定信標(biāo)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)；(b)提供多個(gè)在已知的各個(gè)軌跡上運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，所有的所述移動(dòng)信標(biāo)相互同步；(c)對(duì)于至少一個(gè)所述固定信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)(i)由移動(dòng)單元接收所述各固定信標(biāo)信號(hào)；和(ii)根據(jù)所述各固定信標(biāo)信號(hào)推斷與到所述每個(gè)固定信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(d)對(duì)于所述至少一個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)中的每個(gè)信標(biāo)(i)由移動(dòng)單元接收所述各移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；和(ii)根據(jù)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)推斷與到所述每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(e)通過下述步驟使移動(dòng)單元和所述固定信標(biāo)與所述移動(dòng)信標(biāo)同步，包括(i)為每個(gè)所述固定信標(biāo)提供一個(gè)參考單元，用于測(cè)量所述移動(dòng)信標(biāo)和所述每個(gè)固定信標(biāo)之間的時(shí)間偏差；(ii)由所述參考單元測(cè)量所述時(shí)間偏差；(iii)從一個(gè)相應(yīng)的所述參考單元向移動(dòng)單元發(fā)送至少一個(gè)所述時(shí)間偏差，所述參數(shù)的所述推斷基于所述同步；和(f)根據(jù)所述參數(shù)推斷移動(dòng)單元的位置。
40.權(quán)利要求39的方法，其中所述參數(shù)的所述推斷和所述位置的所述推斷由移動(dòng)單元來執(zhí)行。
41.權(quán)利要求39的方法，其中所述固定信標(biāo)是一個(gè)通信系統(tǒng)的基站。
42.權(quán)利要求39的方法，其中所述移動(dòng)信標(biāo)是衛(wèi)星。
43.權(quán)利要求39的方法，其中所述參數(shù)包括偽距離。
44.權(quán)利要求43的方法，還包括步驟(g)對(duì)于所述至少一個(gè)移動(dòng)信標(biāo)的每個(gè)信標(biāo)，根據(jù)所述各移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)推斷到所述每個(gè)移動(dòng)信標(biāo)的所述偽距離的變化率；并且其中與到所述移動(dòng)信標(biāo)的所述距離相關(guān)的所述參數(shù)包括所述變化率。
45.一種跟蹤一個(gè)移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)信標(biāo)，每個(gè)所述信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)獲得移動(dòng)單元位置的一個(gè)初始估計(jì)；(c)由移動(dòng)單元接收一個(gè)所述測(cè)距信號(hào)；(d)根據(jù)所述測(cè)距信號(hào)推斷與到發(fā)射所述測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(e)根據(jù)包括所述位置的所述初始估計(jì)的一個(gè)初始狀態(tài)估計(jì)和包括所述至少一個(gè)參數(shù)的一個(gè)更新測(cè)量值獲得所述移動(dòng)單元位置的一個(gè)更新估計(jì)。
46.權(quán)利要求45的方法，其中至少一些所述信標(biāo)是固定信標(biāo)。
47.權(quán)利要求46的方法，其中所述固定信標(biāo)是一個(gè)通信系統(tǒng)的基站。
48.權(quán)利要求46的方法，其中至少一些所述信標(biāo)是沿著已知各個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)信標(biāo)。
49.權(quán)利要求48的方法，其中所述移動(dòng)信標(biāo)是衛(wèi)星。
50.權(quán)利要求45的方法，其中所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離。
51.權(quán)利要求50的方法，其中所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)所述偽距離的變化率。
52.權(quán)利要求51的方法，其中所述更新使用一個(gè)動(dòng)態(tài)估計(jì)器來執(zhí)行。
53.權(quán)利要求52的方法，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括一個(gè)線性最佳估計(jì)器。
54.權(quán)利要求53的方法，其中所述線性最佳估計(jì)器是一個(gè)卡爾曼濾波器。
55.權(quán)利要求52的方法，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括移動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)模型。
56.權(quán)利要求45的方法，其中所述位置的所述初始估計(jì)值是一個(gè)預(yù)先定義的參考點(diǎn)的位置。
57.權(quán)利要求45的方法，其中通過三角測(cè)量來執(zhí)行所述位置的所述初始估計(jì)值的所述獲得。
58.權(quán)利要求45的方法，其中所述更新估計(jì)值僅基于所述初始位置和所述至少一個(gè)參數(shù)。
59.權(quán)利要求45的方法，其中所述更新測(cè)量值僅包括所述至少一個(gè)參數(shù)。
60.權(quán)利要求45的方法，還包括步驟(f)獲得移動(dòng)單元速度的一個(gè)初始估計(jì)值；所述初始狀態(tài)估計(jì)包括所述速度的所述初始估計(jì)值。
61.一種用于定位一個(gè)移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)異步固定信標(biāo)，每個(gè)所述固定信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)信號(hào)；(b)多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)可操作地發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，同時(shí)在一條已知軌跡上移動(dòng)，所有的所述移動(dòng)信標(biāo)彼此同步；和(c)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)移動(dòng)單元時(shí)鐘，用于生成一個(gè)移動(dòng)單元定時(shí)信號(hào)；(ii)第一移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收和數(shù)字化所述固定信標(biāo)信號(hào)；(iii)第二移動(dòng)單元接收機(jī)，用于接收和數(shù)字化所述移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，從而生成相應(yīng)的數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；(iv)一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)所述數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)；(v)一個(gè)移動(dòng)單元處理器，用于將每個(gè)所述固定信標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)偽距離，和在將所述每個(gè)數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中之后，將每個(gè)所述數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)相應(yīng)的移動(dòng)信標(biāo)偽距離；和(d)至少一個(gè)參考單元包括(i)第一參考接收機(jī)，用于接收所述移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)，并從中推斷所述移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)的共同開始時(shí)間；(ii)第二參考單元接收機(jī)，用于從至少一個(gè)相應(yīng)的所述固定信標(biāo)接收至少一個(gè)所述固定信標(biāo)信號(hào)；(iii)一個(gè)參考單元時(shí)鐘，用于生成一個(gè)參考單元定時(shí)信號(hào)；(iv)一個(gè)參考單元處理器，用于為所述至少一個(gè)相應(yīng)的固定信標(biāo)中的每個(gè)推斷出所述至少一個(gè)相應(yīng)固定信標(biāo)信號(hào)的開始時(shí)間與所述移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)的所述共同開始時(shí)間之間的定時(shí)偏差；和(iii)一個(gè)發(fā)射機(jī)，用于發(fā)射所述至少一個(gè)定時(shí)偏差；所述第一移動(dòng)單元接收機(jī)可操作地從所述至少一個(gè)參考單元發(fā)射機(jī)中的每個(gè)接收所述至少一個(gè)定時(shí)偏差；所述偽距離同時(shí)參考所述移動(dòng)單元定時(shí)信號(hào)和所述至少一個(gè)定時(shí)偏差。
62.權(quán)利要求61的定位器系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元處理器還可操作地將每個(gè)所述數(shù)字化移動(dòng)信標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成所述對(duì)應(yīng)移動(dòng)信標(biāo)偽距離的一個(gè)變化率。
63.權(quán)利要求61的定位器系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)單元處理器還可操作地根據(jù)所述偽距離推斷出該移動(dòng)單元的位置。
64.一種用于定位一個(gè)移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)信標(biāo)，每個(gè)所述信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；和(b)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)用于獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)的裝置；(ii)一個(gè)用于接收所述測(cè)距信號(hào)的接收機(jī)；(iii)一個(gè)處理器，用于根據(jù)一個(gè)所述測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射所述測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(iv)一個(gè)更新裝置，用于根據(jù)包括所述至少一個(gè)參數(shù)的更新測(cè)量來更新所述位置估計(jì)。
65.權(quán)利要求64的定位器系統(tǒng)，其中至少一些所述信標(biāo)是固定的。
66.權(quán)利要求65的定位器系統(tǒng)，其中所述固定信標(biāo)是一個(gè)通信系統(tǒng)的基站。
67.權(quán)利要求66的定位器系統(tǒng)，其中至少一些所述信標(biāo)是在沿著已知各個(gè)軌跡運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)信標(biāo)。
68.權(quán)利要求67的定位器系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)信標(biāo)是衛(wèi)星。
69.權(quán)利要求64的定位器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離。
70.權(quán)利要求69的定位器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)參數(shù)包括所述偽距離的變化率。
71.權(quán)利要求70的定位器系統(tǒng)，其中所述更新裝置包括一個(gè)動(dòng)態(tài)估計(jì)器。
72.權(quán)利要求71的定位器系統(tǒng)，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括一個(gè)線性最佳估計(jì)器。
73.權(quán)利要求72的定位器系統(tǒng)，其中所述線性最佳估計(jì)器是一個(gè)卡爾曼濾波器。
74.權(quán)利要求71的定位器系統(tǒng)，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括移動(dòng)單元的一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型。
75.權(quán)利要求64的定位器系統(tǒng)，其中所述更新測(cè)量?jī)H包括所述至少一個(gè)參數(shù)。
76.一種跟蹤移動(dòng)單元的方法，包括步驟(a)提供多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)提供多個(gè)固定信標(biāo)，每個(gè)所述固定信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(c)獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)；(d)由移動(dòng)單元從所述多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)相應(yīng)所述信標(biāo)接收第一所述測(cè)距信號(hào)；(e)根據(jù)所述第一測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射所述第一測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；(f)根據(jù)所述初始位置和與到發(fā)射所述第一測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的所述距離相關(guān)的所述至少一個(gè)參數(shù)獲得移動(dòng)單元的所述位置的第一更新估計(jì)；(g)由移動(dòng)單元從另外的所述多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)相應(yīng)所述信標(biāo)接收第二所述測(cè)距信號(hào)；(h)根據(jù)所述第二測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射所述第二測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(i)根據(jù)所述第一更新位置和與到發(fā)射所述第二測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的所述距離相關(guān)的所述至少一個(gè)參數(shù)獲得移動(dòng)單元的所述位置的第二更新估計(jì)。
77.權(quán)利要求76的方法，其中所述移動(dòng)信標(biāo)是衛(wèi)星。
78.權(quán)利要求76的方法，其中所述固定信標(biāo)是一個(gè)通信系統(tǒng)的基站。
79.權(quán)利要求76的方法，其中對(duì)于至少一個(gè)所述測(cè)距信號(hào)，根據(jù)所述至少一個(gè)測(cè)距信號(hào)推斷出的所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離。
80.權(quán)利要求76的方法，其中對(duì)于從一個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)接收到的所述測(cè)距信號(hào)，根據(jù)所述測(cè)距信號(hào)推斷出的所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離和一個(gè)所述偽距離的變化率。
81.權(quán)利要求76的方法，其中使用動(dòng)態(tài)估計(jì)器執(zhí)行所述更新。
82.權(quán)利要求81的方法，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括一個(gè)線性最佳估計(jì)器。
83.權(quán)利要求82的方法，其中所述線性最佳估計(jì)器是一個(gè)卡爾曼濾波器。
84.權(quán)利要求82的方法，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括移動(dòng)單元的一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型。
85.權(quán)利要求76的方法，其中所述位置的所述初始估計(jì)是一個(gè)預(yù)先定義的參考點(diǎn)的位置。
86.權(quán)利要求85的方法，其中所述預(yù)先定義參考點(diǎn)是一個(gè)所述固定信標(biāo)的位置。
87.權(quán)利要求76的方法，其中通過三角測(cè)量執(zhí)行所述位置的所述初始估計(jì)的所述獲得。
88.權(quán)利要求76的方法，其中所述第一更新估計(jì)僅基于所述初始位置和根據(jù)所述第一測(cè)距信號(hào)推斷出的所述至少一個(gè)參數(shù)，并且其中所述第二更新估計(jì)僅基于所述第一更新估計(jì)和根據(jù)所述第二測(cè)距信號(hào)推斷出的所述至少一個(gè)參數(shù)。
89.一種用于定位一個(gè)移動(dòng)單元的定位器系統(tǒng)，包括(a)多個(gè)移動(dòng)信標(biāo)，每個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；(b)多個(gè)固定信標(biāo)，每個(gè)所述固定信標(biāo)發(fā)射一個(gè)相應(yīng)的測(cè)距信號(hào)；和(c)在移動(dòng)單元中(i)一個(gè)用于獲得移動(dòng)單元位置的初始估計(jì)的裝置；(ii)一個(gè)用于接收所述測(cè)距信號(hào)的接收機(jī)；(iii)一個(gè)處理器，用于根據(jù)每個(gè)所述測(cè)距信號(hào)推斷出與到發(fā)射所述測(cè)距信號(hào)的所述信標(biāo)的距離相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)；和(iv)一個(gè)更新裝置，用于使用與到所述多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)信標(biāo)的所述距離相關(guān)的所述至少一個(gè)參數(shù)更新所述初始位置估計(jì)，從而提供移動(dòng)單元的所述位置的第一更新估計(jì)，和使用與到另外的所述多個(gè)信標(biāo)中的一個(gè)信標(biāo)的所述距離相關(guān)的所述至少一個(gè)參數(shù)更新所述第一更新估計(jì)。
90.權(quán)利要求89的定位器系統(tǒng)，其中所述移動(dòng)信標(biāo)是衛(wèi)星。
91.權(quán)利要求89的定位器系統(tǒng)，其中所述固定信標(biāo)是一個(gè)通信系統(tǒng)的基站。
92.權(quán)利要求89的定位器系統(tǒng)，其中每個(gè)所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離。
93.權(quán)利要求89的定位器系統(tǒng)，其中對(duì)于從一個(gè)所述移動(dòng)信標(biāo)接收到的每個(gè)所述測(cè)距信號(hào)，根據(jù)所述每個(gè)測(cè)距信號(hào)推斷出的所述至少一個(gè)參數(shù)包括一個(gè)偽距離和一個(gè)所述偽距離的變化率。
94.權(quán)利要求89的定位器系統(tǒng)，其中所述更新裝置包括一個(gè)動(dòng)態(tài)估計(jì)器。
95.權(quán)利要求94的定位器系統(tǒng)，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括一個(gè)線性最佳估計(jì)器。
96.權(quán)利要求95的定位器系統(tǒng)，其中所述線性最佳估計(jì)器是一個(gè)卡爾曼濾波器。
97.權(quán)利要求94的定位器系統(tǒng)，其中所述動(dòng)態(tài)估計(jì)器包括移動(dòng)單元的一個(gè)運(yùn)動(dòng)模型。
全文摘要
一種相對(duì)于諸如全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星和無線通信網(wǎng)絡(luò)的基站發(fā)現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)單元位置的方法和系統(tǒng)。每個(gè)衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)包括一系列偽噪聲序列幀的信號(hào)。由移動(dòng)單元從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接收到的一個(gè)信號(hào)的幀被排列為一個(gè)矩陣的列，并相干地處理以為可見衛(wèi)星提供估計(jì)的偽距離和估計(jì)的偽距離變化率。相干處理包括對(duì)矩陣的行執(zhí)行一個(gè)正交變換，將矩陣元素乘以多普勒補(bǔ)償因數(shù)，然后，對(duì)于每個(gè)可見衛(wèi)星，卷積矩陣的列和該衛(wèi)星的偽噪聲序列。其它的偽距離根據(jù)移動(dòng)單元從一個(gè)或多個(gè)基站接收到的同步脈沖串序列推導(dǎo)出。如果基站不相互同步，提供參考單元以確定基站時(shí)鐘和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，并將時(shí)間偏差發(fā)送給移動(dòng)單元，以便所有的偽距離包括相對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的相同偏差。這些偽距離由包括一線性最佳估計(jì)器，例如卡爾曼濾波器的動(dòng)態(tài)估計(jì)器處理和協(xié)調(diào)以在移動(dòng)單元移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生移動(dòng)單元的連續(xù)位置估計(jì)。
文檔編號(hào)H04Q7/34GK1425226SQ00818488
公開日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2000年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月18日
發(fā)明者約瑟夫·尼爾, 巴魯赫·沙耶維特, 哈諾赫·科昂, 奧列格·佩雷爾穆特 申請(qǐng)人:蜂窩導(dǎo)向有限公司