位置网络中的频率相干的制作方法

专利名称：位置网络中的频率相干的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于为移动设备产生精确的位置确定的系统和 方法。本发明尤其应用于精确的到达时间位置确定系统。本发明不受 现有技术的要求所约束，如在发射机信标之间的物理连接，如需要连 接到每个发射机的原子时标准，或者需要微分校正技术。
背景技术：
在本领域中容易理解精确的到达时间位置确定依赖于所使用的 发射机时钟的精度。在其最基本的形式中，置于已知位置并通过三个 等长电缆连接到一个公共时钟的三个发射^M言标将满足到达时间定位 系统的基准。然而，由于需要得到精确定时的电缆在时标之间的潜在 远距离之上分布高频定时信号，生产和安装这种基本定位系统是非常 不切实际的。作为选择，具有很低的漂移率的精确原子时标准可以被 安装于每个发射机信标，并使用一个置于已知位置并连接到一个参考 时基的参考接收机来监控。响应于从发射机信标所接收到的定位信号， 通过一个RF数据链，时钟校正被从参考接收机发送到每个信标，用 于向用户设备的后续转播。诸如GPS的现代卫星定位技术采用这种技 术，其中铯和铷时间标准被安装在每个GPS卫星中，同时，GPS地 面控制部门连续不断地监控所有GPS卫星，并每24小时向每颗卫星 向上传输时钟校正。于是，这些校正通过每颗卫星的导航消息被转播 到GPS用户设备，这样，GPS用户设备内的定位算法能够解决卫星时钟误差。具有至少4颗GPS卫星可视，在GPS用户设备使用一种 被称作常规的码基GPS位置解决方案的标准技术实现一个三维定位。 这种标准技术通常也被本领域技术人员称为"单点位置"。
常规的码基GPS位置解决方案(单点位置)
在常规的码基GPS中，靠近地球的任一点的綷度、经度和高度 能够从来自至少4颗可视的GPS卫星的定位信号的传播时间计算出 来。 一个GPS接收机基于内部产生的伪随机码(PRN)序列和所接收 到的来自每颗GPS卫星的伪随机码序列的相关性进行距离计算。所测 得的距离被称作伪距，因为在卫星上的时钟和GPS接收机内的时钟之 间存在时间差或者偏移。有必要确保接收机的时钟和卫星星座的时钟 同步，以便精确测量在卫星伪随机码序列的传输和通过一个GPS接收 机接收该伪随机码序列之间的耗用时间。导航消息也从每颗卫星进行 传输，其包括时间信息、卫星轨道信息和卫星时钟校正项。对于三维 定位， 一个GPS接收机需要4颗卫星信号以求解四个未知量，即位置 (x， y， z)和时间(t)。对于二维定位(2-D)，高度是固定的，需 要三个卫星信号求解三个未知量，即位置(x和y)和时间(t)。常 规的码基GPS位置解决方案能够使一个至少4颗卫星可视的GPS接 收机具备确定一个具有大约10到20米精度的绝对三维(3-D)位置的 能力。
这种常规的码基GPS位置解决方案是一种自主的解决方案，没
有来自参考接收机的微分校正数据就能够确定位置、速度和时间 (PVT)。因此，它在本领域中被称作"单点位置"解决方案。
常规的码基微分GPS (相对定位)
利用一个所建立的精确原子时基，GPS星座仅能够向一个GPS 接收机提供约为10到20米的绝对三维位置精度。这是因为定位信号 来自六个主要误差源的毁坏(1)电离层延迟，(2)对流层延迟， (3)星历误差，U)卫星时钟误差，(5)GPS接收机噪声，以及(6)多径。电离层延迟是由电磁波穿过在电离层中的电离粒子带时所 经历的变化的时间延迟。对流层延迟是由电磁波穿过较低大气中的湿 气时所经历的时间延迟。星历误差是实际卫星位置和由卫星轨道数据 所预报的位置之间的差。接收机噪声是由GPS接收机的内部电子器件 所产生的噪声。多径是由极接近GPS接收机的局部信号反射所引起的 信号延迟。这些误差源的大部分在相对短的距离(即，几十公里)上 是空间相关的。这意味着相互邻近的两个不同的GPS接收机将观察到 相同的误差。因此，使用一种被称作"微分校正"的方法改善空间相关 的误差源是可能的。置于一个众所周知位置上的一个参考接收机对于 它所探测的每个卫星信号计算一个假定的伪距。它接着测量从GPS卫 星所接收到的伪距，并从所接收到的伪距中减去假定的伪距，形成对 每颗可视卫星的微分距离校正。参考接收机于是通过一个RF数据链 将这些校正当作数字数据发送到GPS接收机。接下来，GPS接收机 在计算一个位置解之前将这些校正加到它所测量的伪距(对于参考接
收机的同一颗可视卫星)上。参考接收机和GPS接收机的公共的误差 可完全由这个步骤去除。诸如多径和接收机噪声的不相关的误差源留 在伪距中，继而降低位置精度。在低多径环境中，利用码基微分GPS 校正，可以获得几米范围内的位置精度。
常规的基于栽波的微分GPS (相对定位)
常规的基于载波的微分GPS (CDGPS)使用在参考接收机和用 户接收机所测得的卫星的载波相位之差计算参考位置和用户位置之间 的差。 一个置于一个众所周知位置的CDGPS参考接收机对所有可视 的卫星计算同时的栽波相位测量，然后，通过一个RF数据链将栽波 相位数据广播到用户接收机。用户接收机还对所有可视的卫星计算同 时的相位测量，然后，计算一个相位差以确定用户接收机相对于参考 接收机位置的位置。载波相位测量是基于来自GPS卫星的载波频率上 出现的多普勒频移的连续周(cycle)的计数。每个初相，这个连续周 计数(从前一初相的值加上在当前初相中相位上的前进)可从接收机获得。更明确讲，在一个初相期间的相位上的前进是通过综合在该初 相间隔内的载波多普勒偏移确定的，因此，命名为综合载波相位
(ICP)。
用户接收机能够测量部分相位加上该栽波的任意个完整周，但是 不能直接确定在伪距中确切的完整周数目。这个数目，被称为"整数周 模糊度"，必须由其他方法确定。用于解算载波相位整数模糊度的传统
策略分为三大类搜索法，过滤法和几何法。这些传统的方法不能产 生瞬时的整数周模糊度解。 一种被称作"宽-通道收缩(laning)，，的方 法已被发展用于解决这个非瞬时整数周模糊度问题。宽通道收缩相乘 并滤波两个载波频率(传统为GPS Ll和L2频率)以形成一个拍频信 号。这个拍频波长大大长于两个单独栽波的波长。因而，整数解能够 通过使用伪距观测得到，以确定由该拍频信号所形成的更宽的"通道 (lane)"的整数模糊度。这些整数解大大降低了用于解算整数模糊度 所必须搜索的整数量。
对于CDGPS方法，主要的约束首先是RF数据链的完整性和等 待时间，其次，是在用户接收机处缺乏时间确定。RF数据链的数据 带宽约束微分数据更新速度，导致数据等待时间并降低位置精度。由 物理障碍和多径引起的微分数据的不良接收导致数据毁坏，这降低位
置精度最多，并且以最坏程度导致地整个链路故障和没有位置更新。 CDGPS的第二个不足是缺少时间确定。 一种常规的单点位置解决方 案解出四个未知量，即位置(x， y, z)和时间(t) 。 CDGPS使用被 称为"二重微分"的处理，其能消除参考接收机和用户接收机的接收机 时钟项。因此，用户接收机能够确定相对于参考接收机位置的准确位 置，但是不能确定时间。如果用户只是关注位置，这是不重要的。然 而，准确知道一个精确的系统时基对于包括计算机网络和电信系统的 许多用户应用是非常有益的，缺乏时间确定是有关CDGPS现有技术 系统的主要问题。
伪卫星(pseudolite )增强
8另一种用于帮助GPS位置确定的方法是使用如伪卫星的基于地 面的增强系统。伪卫星能够被引入常规的基于码和载波的微分GPS系 统，而不需要任何附加的基础设施。它们能够被用作附加的测距信号， 也被用作RF数据链以将微分校正发送到用户设备。作为选择，伪卫 星能够同步于GPS时基。 一个GPS接收机从使用至少4颗GPS卫星 的一种常规的码基GPS解决方案中确定GPS时间，并将所确定的时 间传送到一个共址的伪卫星发射机。该GPS时基的精度受GPS误差 源的约束，包括电离层和对流层延迟，卫星时钟误差、卫星位置误差、 接收机噪声和多径。约为50到100纳秒的时间精度可通过使用GPS 时基方法获得。然而，这仅转换为在几十米范围内的位置精度。这种 精度对于精确导航系统来说是太过于粗略了 。
使用"全向标记"伪卫星的基于载波的微分GPS
科恩(Cohen)的标题为"用于产生精确的基于码和载波相位位 置确定的系统和方法，，的美国专利号5,583,513描述了一种微分校正方 法，由此， 一种所谓的"全向标记"伪卫星作为一个向一个定位接收机 转播信息的信道以进行微分测距校正(第6栏，第43 ~ 46行)。该"全 向标记，，伪卫星能够被表述为一种比喻性的镜子，由此，GPS卫星信 号从已知的全向标记伪卫星位置被同相"反射"到位置接收机。因此， 发出的载波和每个信标标记信号的PRN码部分对于在GPS信号中的 他们的输入对应部分确切是相位相干的(专栏6，行28~32)。处于 一个高飞的飞行器中的一个位置接收机从GPS卫星接收定位信号，还 从全向标记伪卫星接收"反射的"GPS定位信号，随后计算微分距离测 量。
科恩的微分方法不必需要常规的基于码和载波的微分系统所需 要的一种传统的数字数据链。然而，全向标记位置接收机依然必须接 收GPS卫星和全向标记信号以计算一个微分距离测量。单接收全向标 记信号将不会允许计算位置。同样，全向标记必须产生并向每个可视 的GPS卫星传输单独的载波和PRN部分，这使全向标记复杂且昂贵。当前，这将会需要多达12个从单个全向标记的单独传输。此外， 一个 全向标记位置接收机需要常规的微分GPS接收机的接收信道的两倍， 这增加了成本和复杂性。
使用"地面收发信机"伪卫星的微分测距
Sheynblat申请的标题为"地面收发信机网络"的美国专利第 6,121,928号描述了一种微分校正方法，借此，所谓的"地面发射机"和 "地面收发信机，，伪卫星网络用作信道，中继信息到用于对用户位置进 行微分确定的位置接收机(第5栏，第31到36行)。Sheynblat讲述 了使用微分校正克服主时钟偏置(第5栏，第23到36行)和由地面 收发信机硬件引入的线路偏置(第5栏，第38到67行和第6栏，第 1到23行)。Sheynblat的微分方法和实施例包括(i)区别地面收发 信机信号与地面发射机信号的用户接收机(第5栏，第31到36行， 和权利要求2) ， (ii)区别多个主地面发射机信号与地面收发信机的用 户接收机(第6栏，第25到67行，和第7栏，第1到33行)，以及 (iii)区别地面收发信机信号的用户接收机，其结合了已经区别卫星信号 的信号(第7栏，第34到67行，和第8栏，第1到34行)。Sheynblat 的专利讲述了微分方法的改进，但没有讲述，展示或建议将在流动位 置接收机从地面收发信机网络产生单点位置解的更为期盼的系统。
现有技术系统允许到达时间位置确定，至少需要以下 一 个方面 (a)发射机信标之间的物理连接；(b)每个发射机的原子时标准； (c)同步一个GPS时基；(d)某种形式的微分校正。 一个能够提供 极精确的到达时间定位信号、而没有任何这些约束的系统，是极为人 所盼的。本发明通过按时序同步一个无线电收发机系统(下文称作定 位单元装置)实现这个所期盼的目标。

发明内容
本发明的一个目的在于提供一种定位系统和方法用于进行精确 的码和载波相位位置确定，而不需要定位单元装置之间的物理互连。
10本发明还有一个目的在于提供一种定位系统和方法用于进行精 确的码和载波相位位置确定，而不需要原子时标准。
本发明还有一个目的在于提供一种定位系统和方法用于进行精 确的码和载波相位位置确定，而不需要一种全球导航卫星系统时基。
本发明还有一个目的在于提供一种定位系统和方法用于进行精 确的码和载波相位位置确定，而不需要微分校正技术。
本发明还有一个目的在于使定位单元装置按时序同步于一个系 统时基，该系统时基不必绝对精确。
本发明还有一个目的在于通过地理上分布的定位单元装置传播 一个参考时基。
本发明还有一个目的在于向一个流动位置接收机提供按时序同 步的码相位伪距，以便单点码相位位置解不借助微分校正就能够得到 确定。
本发明还有一个目的在于向一个流动位置接收机提供按时序同 步的码相位伪距，以便一旦整数周模糊度被解出，单点载波相位位置 求解不借助微分校正就能够得到确定。
本发明还有 一 个目的在于向 一 个流动位置接收机提供精确的网 络传输时间信息。
本发明涉及一种系统和方法，其在一个接收到的由至少 一个参考 发射机发送的参考定位信号和由定位单元装置产生的唯一定位信号之 间产生频率相干。定位单元装置是一个专用收发机，其能够接收和解 释来自参考发射机、另一个定位单元装置或两者的参考定位信号。定 位单元装置包含公共振荡器。定位单元装置接收参考定位信号并且测 量接收到的参考定位信号相对于公共振荡器的频率偏移。 一旦频率偏 移被测量，定位单元装置调整频率可控时钟一个来自所测量的频率偏 移的量。然后定位单元装置产生一个唯一定位信号，其与频率可控时 钟对齐。此外，定位单元装置通过将所测量的频率偏移应用于频率可 控时钟来连续地调整所述唯一定位信号，频率可控时钟也参考定位单 元装置中包含的公共振荡器。随后，调整后的唯一定位信号的频率与
11所接收的参考定位信号的频率对齐。
在本发明的优选实施例中，频率可控时钟被调整与所测量的频率 偏移的相等的量。
在本发明的另一个优选实施例中，调整后的唯一定位信号被发送。
在本发明的又一个优选实施例中，调整后的唯一定位信号作为其 他定位单元装置的参考定位信号。
在本发明的另 一个优选实施例中，频率可控时钟包括通过施加一 个附加频率偏移一个预定的时间周期以按时间转动所述唯一定位信号 来调整所述频率可控时钟的装置。
在本发明的一个可替换实施例中，参考发射机包括定位单元装 置、广域增强系统卫星、全球导航卫星系统卫星、伪卫星、或其他任 何包含定时信息的设备。


图l是根据本发明的一个实施例的图示，包含向多个定位单元装 置广播的单个参考发射机和确定一个自主单点位置解的一个流动位置 接收机。
图2是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 向一个定位单元装置广播的单个参考发射机。
图3是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 向多个定位单元装置广播的单个参考发射机。
图4是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 通过一个中间定位单元装置进行广播的一个参考发射机。
图5是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 向一个定位单元装置广播的多个参考发射机。
图6是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 向四个定位单元装置广播的一个广域增强系统(WAAS)参考发射机。 这些定位单元装置随后将他们自己唯一的按时序同步的定位信号传输给置于卫星盲区中的一个流动位置接收机。
图7是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 向其他三个定位单元装置广播的一个定位单元装置参考发射机。这些 定位单元装置随后将他们自己唯一的按时序同步的定位信号传输给一 个流动位置接收机。
图8是根据本发明的关于时间同步的另一个实施例的图示，包含 两个自主定位单元装置网络。边界定位单元装置随后向该流动位置接 收机传输网络间的校正。
图9是根据本发明的定位单元装置硬件的框图。
具体实施方式
综述
定位单元装置是一种专用的无线电收发机，位于一个已知的位 置并从至少一个参考发射机接收至少一个参考定位信号。优选地，参 考发射机是另一种的定位单元装置，或一颗WAAS卫星。响应于所接 收的参考定位信号，定位单元装置将内部产生的定位信号按时序同步 于参考发射机时基，并将它的唯一定位信号传送到所有其它可视的位 置接收机。形成一个自主位置网络最少需要至少两个按时序同步于一 个参考发射机的定位单元装置。在这个自主网络里的所有传输信号的 一个可视的流动位置接收机有能力确定自主码和载波单点位置解，而 不需要微分校正。此外，参考发射机振荡器不需要现有技术系统所需 要的原子时标准的固有稳定性，由此，允许一个廉价的晶体振荡器被 用作对于整个位置网络的一个参考时基。
因此，如下详述， 一个定位单元装置可能作为一个比喻性的"频 道，，用于将按时序同步的定位信号分发到一个流动位置接收机。这允许 该流动位置接收机计算基于码和载波的单点位置确定，而不需要定位 单元装置之间的物理连接，不需要原子时标准或GNSS时基，以及不 需要微分校正。
13系统和方法
图l示出使用基于码和载波的单点位置计算产生精确位置确定的
一种定位系统的一个配置。多个定位单元装置101-1和101-2位于对 于一个参考坐标系统的已知位置，分别接收由至少一个参考发射机
103广播的至少一个参考定位信号102，该参考发射机也位于对于一个 参考坐标系统的已知位置。响应于所接收的参考定位信号102，定位 单元装置101-1和101-2发射一个或多个按时序同步于参考发射机103 的唯一定位信号104-1和104-2。 一个流动位置接收机105，位于装置 101-1、 101-2和103的网络内，接收来自参考发射机103的参考定位 信号和来自定位单元装置101-1和101-2的唯一定位信号104-1和 104-2，并从按时序同步的定位信号的网络中自主计算基于码和载波的 单点位置确定。
时间同步
时间同步定位单元装置同步于一个能够具有任意值和任意变量 的公共时序时基。因此，任何如晶体振荡器的简单、廉价的时钟源将 能够满足作为在参考发射机中的参考时钟。在优选实施例中，使用温 度补偿晶体振荡器(TCXO)或更好的晶体振荡器。 一个定位单元装 置首先获得一个参考发射机定位信号，并从已知的参考发射机坐标和 已知的定位单元装置的坐标计算所谓的穿越时间偏移。穿越时间偏移 考虑由参考定位信号从参考发射机到定位单元装置传输所经历的传输 时间延迟。在自由空间中，电磁波每3纳秒传输约l米。接着，定位 单元装置将穿越时间偏移应用到一个内部所产生的定位信号，并将这 个定位信号对齐输入的参考定位信号，因此，使内部所产生的定位信 号与参考发射机时序对准。明确讲，当一个定位单元装置的内部所产 生的定位信号具有与输入的参考定位信号频率相干，与参考发射机时 基时序相干时，同步得以实现。
一个参考定位信号从一个参考发射机通过射频(RF)载波进行 传输。该参考定位信号能够从任何有效的时间源中产生，时间源可以包括定位单元装置、广域增强系统(WAAS)卫星、全球导航卫星系 统(GNSS)卫星，伪卫星，或任意有效源的组合。现在参考图2，位 于从一个参考发射机202的已知距离的定位单元装置201接收由参考 发射机202传输的参考定位信号203。参考定位信号203具有一个载 波部分、 一个唯一伪随机码部分和一个数据部分。定位单元装置201 包含一个位置接收机204和一个同位发射机205。位置接收机204能 够接收来自所有可视的参考定位信号的定位信号，也可以接收来自它 的同位发射机205的定位信号。响应于所接收的参考定位信号203， 定位单元装置201从它的发射机205发射一个所谓的从定位信号206， 该从定位信号由定位单元装置位置接收机204接收。从定位信号206 具有一个载波部分、 一个唯一伪随机码部分和一个数据部分。定位单 元装置位置接收机204接收并同时抽样来自参考发射机202的参考定 位信号203和来自同位发射机205的从定位信号206。那么，在所接 收的参考定位信号203和所接收的从定位信号206之间的传输时间差 得到计算。传输时间差，如用于优选实施例的，由以下确定
(a) 比较从参考定位信号203和从定位信号206的载波部分所 确定的综合栽波相位(ICP)测量以确定一个载波频率差。
(b) 解调并比较从参考定位信号203和从定位信号206的导航 数据部分以确定一 个粗略的传输时间差。
(c) 比较从参考定位信号203和从定位信号206的伪随机码部 分所确定的伪距测量以确定一个码伪距差。
(d) 比较从参考定位信号203和从定位信号206的载波部分所 确定的瞬时载波相位测量以确定 一 个栽波相位差。
因为从定位信号206对参考发射机202时基的精确时间同步，参 考发射机天线207和定位单元装置接收机天线208之间的信号传播延 迟必须进行说明。从参考发射机天线207到定位单元装置接收机天线 208的以米为单位的已知地理距离209能够通过公式穿越时间=距离 /光速被转换为信号穿越时间。定位单元装置201包含一个受控的发射 机时钟210,该发射机时钟能够由定位单元装置CPU 211进行频率上的调整。受控的发射机时钟210由定位单元装置CPU211从参考定位 信号203和从定位信号206之间的时差得到确定，该时间差由位置接 收机204测得，由参考定位信号穿越时间209抵消。这使从定位信号 206时序同步于参考发射机202时基。
所接收的参考定位信号203和从定位信号206之间微分过程消除 定位单元装置位置接收机时钟项，由此允许定位单元装置201跟随参 考发射机202时基，而没有本地定位单元装置振荡器所引起的任何时 钟偏差。此外，相同位置接收机204的两个信道之间的微分消除由位 置接收机电子器件引起的任何接收机线路偏差或组延迟。
定位单元装置的控制状态
在优选实施例中，定位单元装置使用以下控制状态时间同步于参 考发射机
状态0:复位 复位所有硬件。 状态l:获得参考信号
定位单元装置CPU 211通过定位单元装置位置接收机204开始 搜索一个参考定位信号203。 状态2:同步参考信号
定位单元装置位置接收机204获得一个参考定位信号203,参考 发射机202位置和时间由定位单元装置CPU211从它的导航数据部分 解调出。
状态3:同步从信号
定位单元装置CPU 211等待考虑与参考定位信号导航数据部分 的粗略时间对准。然后， 一个内部时钟发生器由CPU 211进行初始化。 状态4:初始化从信号
定位单元装置CPU 211为这个特殊的定位单元装置201确定一 个合适的、唯一的PRN码序列，并将这个PRN码序列分配给定位单 元装置发射机205。对于参考定位信号203，当前的频率偏移(相对于定位单元装置振荡器212 )也被定位单元装置CPU 211分配给定位单 元装置受控的发射机时钟210。这用于将定位单元装置发射机205初 始化为一个近似于与参考定位信号203的频率相同的频率。定位单元 装置CPU 211也将所确定的PRN码序列分配给定位单元装置位置接 收机204中的一个空闲接收机信道。该接收机信道被初始化为具有与 定位单元装置发射机205 —样的频率偏移和随机码相位值，以^^有助 于定位单元装置位置接收机204获得从定位信号206。然后，定位单 元装置初始化从定位信号206的传输。 状态5:获得从信号
定位单元装置位置接收机204初始化对从定位信号206的搜索。 状态6:同步从信号
定位单元装置位置接收机204获得从定位信号206，并从它的导 航数据部分解调出粗略的从时间。 状态7:参考/从频率同步
对于参考定位信号203和从定位信号206的同时综合载波相位 (ICP)测量由定位单元装置位置接收机204进行初始化(设为0)和 微分。这个所微分的值代表参考定位信号203和从定位信号206之间 的频率和相位的差。在定位单元装置CPU 211内的控制环对定位单元 装置受控发射机时钟210进行连续校正以保持参考定位信号203和从 定位信号206之间的OICP差，因而保持频率同步。
作为选择，所接收的参考定位信号频率偏移值，如由定位单元装 置位置接收机204测得的，能够被直接反馈到定位单元装置受控发射 机时钟210，以产生一个所谓的"频率跟踪系统"(FTS)。受控发射 机时钟210消除输入的参考定位信号203的频率偏移，因而保持频率 同步。这种方法需要定位单元装置振荡器212在位置接收机204和发 射机205之间是/>共的。
状态8:参考/从码同步
一旦获得状态7的参考/从频率同步，参考定位信号203和从定 位信号206之间的时间差能够被准确测得，并且任何时间偏差得到消
17除。当定位单元装置受控发射机时钟210被转动到必需的时间数量以 使参考和从定位信号进入PRN码队列中时，参考/从码同步得到完成。 穿越时间值209被用于抵消所测得的参考-从时间差以消除参考信号 传播延迟的影响，然后，所算出的时间差被用作定位单元装置受控发 射机时钟210的一个时钟校正。时钟校正是通过采用频率跟踪系统 (FTS)和对于一个预定的时间周期将一个附加的频率偏移应用于受 控发射机时钟210而获得。这个附加的频率偏移允许从定位信号206 及时转动直到它与参考发射机202时基时间相干。 一旦这个时间转动 得到完成，控制环得到重新釆用。作为选择，码同步能够通过在保持 频率同步的同时将定位单元装置发射机205 PRN码产生器转动到必需 的码相位数量(芯片)而得到完成。
码同步是基于具有固有噪声的PRN码准确度，在优选实施例中， 固定的定位单元装置将PRN码噪声过滤到 一个子载波周级别上。
状态9:参考/从相位同步
一旦获得状态7的参考/从频率同步和状态8的参考/从码同步， 依然存在必须进行校正的两种时间误差(1 ) 180度相位模糊度，以 及(2)穿越时间相位偏移。
(1) 校正180度相位模糊度使用一个专门的锁相环，在本领 域众所周知的"科斯塔斯(Costas)环"，从一个PRN码定位信号中解 调出数据。科斯塔斯环技术固有包含一个180度相位模糊度，因此能 够获得和跟踪具有半周模糊度的定位信号。这个半周模糊度代表在 2.4GHz处的近似200皮秒的时间偏移。科斯塔斯环模糊度能够通过参 考一个预定的数据位序列得到解算，该序列通常被称为前缀，由位置 网络内的发射机在导航数据部分进行传输。当科斯塔斯环模糊度得到 解算， 一个在频率同步的参考和从定位信号的位置接收机相位寄存器 之间的任意固定相位微分显然可以得到。这个任意相位偏移归因于从 定位信号的任意相位，并在下面接下来的步骤(2)中得到校准。
(2) 校正穿越时间相位偏移 一个部分周的穿越时间相位偏移 目前归因于参考发射机天线207和定位单元装置天线208之间的参考定位信号传输延迟。在参考发射机和定位单元装置之间的地理距离
209能够表示为一个整载波周(整数部分)213加上一个部分载波周(分 数部分)214的数字。穿越时间相位偏移是从参考发射机天线207和 定位单元装置天线208之间的已知地理距离中所算出的部分周数量 214。整数部分213是在上面所迷的状态8的参考/从码同步控制状态 中得到校正。然而，分数部分214太细微了而不能在状态8的参考/ 从码同步状态中得到校正，因此必须作为载波相位校准进行校正。频 率跟踪系统(FTS)得到采用，并且定位单元装置受控发射机时钟210 以必需的部分周数量(从在上面步骤(1)中所确定的它当前所测得的 任意相位值)被时间转动到一个最近确定的穿越时间相位值。然后， 时间同步环(TLL)得到采用。从定位单元装置天线208发出的定位 单元装置载波相位从定位信号206现在按时序同步于从参考发射机天 线207发出的参考发射机202载波相位定位信号。 状态10:参考/从所有同步
一旦所有的上面状态得到实现，CPU211声明时间同步，定位单 元装置201开始发射它现在的全同步的唯一定位信号215。该定位单 元装置的唯一定位信号215现在以皮秒的精度按时序同步于参考发射 机202，这个能力基本超出了任何现有技术的能力。
唯一定位信号
在优选实施例中，每个定位单元装置发射一个唯一定位信号，包 括一个载波部分， 一个伪随机码部分和一个导航数据部分。栽波相位 部分是优选在2.4GHz ISM波段中传输的正弦射频波，尽管本发明的 方法同样可应用于其它频段。伪随机数(PRN)码部分在载波部分上 得到调制，并由一个唯一码序列组成，该码序列能够区别与由其它装 置以相同栽波频率所传输的其他伪随机码序列。这种技术被认为是码 分多址(CDMA)，并在本领域中众所周知。导航数据部分是在伪随 机码部分调制的特有信息，并提供一条通信链路以向定位单元装置和 流动位置接收机传送导航信息。导航信息可以包括网络时间，定位单
19元装置位置，比喻性的"参考时钟系"信息，以及其他所期望的网络数 据。
时间同步配置
时间同步可以在许多不同的配置中得到实现。这些配置包括:
1. 向单个定位单元装置广播的单个参考发射机。
2. 向多个定位单元装置广播的单个参考发射机。
3. 通过中间定位单元装置广播的一个或多个参考发射机。
4. 向一个或多个定位单元装置广播的多个参考发射机。
5. 点位置时间同步。
向单个定位单元装置广播的单个参考发射机
单个参考发射机能够被用于向单个定位单元装置广播一个参考 定位信号。图2示出位于一个已知位置的一个定位单元装置201和也 位于一个已知位置的一个参考发射机202。定位单元装置201接收由 参考发射机202所发射的参考定位信号203和由定位单元装置发射机 205所发射的从定位信号206。响应于所接收的参考定位信号203，定 位单元装置201确定参考定位信号传输延迟209，并应用一个适当的 发射机时钟校正以将它的内部产生的从定位信号206的载波部分，唯
波部分，唯一 PRN码部分和数据部分。定位单元装置接下来发射一个 唯一定位信号215，该信号按时序同步于参考发射机202时基。
两个定位信号不足以确定在一个流动位置接收机中的一个位置 解。然而，如果参考发射机是一个WAAS卫星，时间同步定位单元装 置信号将以皮秒级同步于GPS时间，因此，对于一个常规的基于码的 GPS求解能够被一个位置接收机用作一个附加的精确测距源。
向多个定位单元装置广播的单个参考发射机 当多个定位单元装置处于参考发射机的清晰的可视范围内时，单
20个参考发射机能够被用于形成一个定位单元装置网络。
图3示出位于已知位置301-1和301-2的多个定位单元装置和也 位于一个已知位置的一个参考发射机302。定位单元装置301-1和 301-2接收由参考发射机302所发射的参考定位信号303。响应于所接 收的参考定位信号303，每个定位单元装置301-1和301-2确定它各自 的从参考发射机302的信号传输延迟304-1和304-2,并应用一个适当 的发射机时钟校正以将它的内部产生的定位信号的载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分按时序同步于参考发射机定位信号303的载波 部分，唯一 PRN码部分和数据部分。每个定位单元装置接下来发射唯 一定位信号305-1和305-2，这些唯一定位信号按时序同步于参考发射 机302时基。
通过中间定位单元装置广播的一个或多个参考发射机
一个或多个时间同步参考发射机能够被用于形成一个定位单元 装置网络，而没有所有的定位单元装置处于一个参考发射机的清晰的 可视范围内。在这种配置中，定时信号通过中间定位单元装置得到级 联。当一个中间定位单元装置声明时间同步时，接下来的定位单元装 置能够将这个中间定位单元装置用作它们的参考定位信号。
图4示出位于一个已知位置的一个参考发射机401和也位于一个 已知位置的第一定位单元装置402。第一定位单元装置402接收由参 考发射机401所发射的参考定位信号403。响应于所接收的参考定位 信号403，第一定位单元装置402确定从参考发射机401的信号传输 延迟404，并应用一个适当的发射机时钟校正以将它的内部产生的定 位信号的载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分按时序同步于参考发 射机定位信号403的载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分。定位单 元装置接下来发射一个唯一定位信号405，该唯一定位信号按时序同 步于参考发射机401时基。
第二定位单元装置406，位于一个已知位置，但由于建筑物409 所导致的信号障碍而不在参考定位信号410的可视范围内，接下来接收来自第一定位单元装置402的定位信号405。响应于所接收的参考 定位信号405，第二定位单元装置406确定从第一定位单元装置402 的信号传输延迟407，并应用一个适当的发射机时钟校正以将它的内 部产生的定位信号的载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分按时序同 步于第一定位单元装置定位信号405的载波部分，唯一 PRN码部分和 数据部分。第二定位单元装置406接下来发射一个唯一定位信号408， 该信号包括载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分。这个唯一定位信 号408按时序同步于第一定位单元装置402,也按时序同步于参考发 射机401时基。
向一个或多个定位单元装置广播的多个参考发射机 多个时间同步参考发射机能够被用于向一个或多个定位单元装 置广播参考定位信号。在这种配置中，如多径和对流层延迟的任何参 考信号误差源能够在参考发射机中得到均分以改善时基精度。
图5示出位于已知位置的一个定位单元装置501和也位于一个已 知位置、具有共同时基的多个参考发射机502-1和502-2。定位单元装 置501接收由参考发射机502-1和502-2所发射的参考定位信号503-1 和503-2。响应于所接收的参考定位信号503-1和503-2，定位单元装 置501确定从每个参考发射机502-1和502-2的信号传输延迟504-1 和504-2，并应用一个适当的发射机时钟校正以将它的内部产生的定 位信号的载波部分，唯一 PRN码部分和数据部分按时序同步于两个参 考发射机定位信号503-1和503-2的载波部分，唯一 PRN码部分和数 据部分。定位单元装置501接下来发射一个唯一定位信号505,该唯 一定位信号按时序同步于参考发射机502-1和502-2的时基。
点位置时间同步
一个定位单元装置没有参考发射机和已知的定位单元装置之间 的地理距离(参考定位信号传输延迟)也能够同步于一个网络时基。 对于这个时间同步实施例，至少四颗时间同步定位单元装置必须可视。需要进入网络的定位单元装置通过计算单个点位置自己测量它的三维 位置，这个单点位置包含定位单元装置位置接收机的时钟偏移。定位 单元装置位置接收机的时钟偏移精确提供网络时间(相对于局部位置 接收机时钟)，该时间能够被定位单元装置从发射机用作一个精确的 网络时基。在优选实施例中，定位单元装置使用单个点载波解以将精 确的网络时间确定到皮秒级，这一能力基本超出现有技术系统的能力。
WAAS参考
在优选实施例中， 一个参考发射机是一颗广域增强系统(WAAS ) 卫星。WAAS卫星是同步通信卫星，该卫星向GPS接收机传输GPS 微分校正。WAAS卫星也在1575.42 MHz的GPS Ll载波频率上发射 一个唯一定位信号。这个唯一定位信号利用向UTC提供的校正精确 同步于GPS时间。因此， 一颗WAAS卫星成为一个理想的参考发射 机，该发射机同步于世界标准时基UTC。
在优选实施例中， 一个定位单元装置包含用于接收来自2.4 GHz ISM波段中的其它定位单元装置的定位信号，也接收来自L波段频率 中的WAAS和GNSS卫星的定位信号的装置。一个定位单元装置可以 将一个WAAS卫星用作一个参考发射机，并将它的2.4 GHz的从定位 信号时间同步于1575.42 MHz的WAAS定位信号。不同的载波频率 之间的时间同步通过将输入的WAAS和定位单元装置载波相干下变
频为定位单元装置位置接收机中的一个公共基带频率得到初始化。然 后，用前面所述的方法进行时间同步。相干下变频需要定位单元装置 接收机中的局部振荡器从一个公共振荡器驱动。在优选实施例中，公 共振荡器驱动为一个定位单元装置的所有部分产生时钟信息，这些部 分包括位置接收机、发射机和中央处理器。由于WAAS的不同接收路 径和下变频之前的定位单元装置载波频率，当计算相互的频率时间同 步时，考虑线路偏差和群延迟。
现在参考图6，定位单元装置601-1、 601-2、 601-3和601-4位于 具有可以看到天空的清晰视野的已知位置，并优选位于如山顶602-1和602-2和/或高建筑物顶603-1和603-2的高架位置。如果需要，一 个定向的接收天线604-1、 604-2、 604-3和604-4也可以与每个定位单 元装置601-1 、601-2、601-3和601-4进行合并，并指向一个同步WAAS 卫星605 (尽管这些附加的天线对于这种方法是优选的但不是根本 的)。配置在定位单元装置的定向天线有助于减轻多径，并改善所接 收的WAAS信号的信噪比，这接着改善参考时基精度。每个定位单元 装置601-1、 601-2、 601-3和601-4时间同步于WAAS卫星信号606, 因此产生具有皮秒精度的精确UTC同步网络。由一个行人608所持 的一个位置接收机607位于一个建筑物609内。WAAS卫星信号606 不能穿透建筑物609，因为它的信号功率低。然而，来自定位单元装 置601-1、 601-2、 601-3和601-4的定位单元装置信号601-1、 601-2、 601-3和601-4能够穿透建筑物609，因为它们紧密相邻。位置接收机 607能够接收来自全部四个定位单元装置的定位单元装置定位信号， 这允许在卫星盲区中的单点位置确定。另外， 一旦位置接收机607计 算出一个位置解，UTC能够得到准确确定。因此，本发明也提供在卫 星盲区中的精确UTC时间变换。而且，当位置接收机607从建筑物 609出来时，来自任意定位单元装置601-1、 601-2、 601-3和601-4、 可视的WAAS卫星605或GNSS卫星的信号能够被用于形成一个由多 种因素确定的位置解，增加了所计算的行人位置的位置完整性。
中间的WAAS参考
位于WAAS卫星的清晰视野内的定位单元装置也可以用作在另 一个实施例中的中间参考信号。不能接收WAAS卫星信号的定位单元 装置可以使用中间的"中枢，，定位单元装置作为它们的时间参考源。因 此，UTC可以遍及网络分布，而所有定位单元装置不必处于参考 WAAS卫星的清晰视野内。
定位单元装置参考
在一颗WAAS卫星不可获得的情况下，可优选的是至少一个定
24位单元装置向定位单元装置网络提供时基。现在参考图7,位于一个 已知位置的第一定位单元装置701被指定作为参考发射机，并从它的 内部所产生的时钟702中产生一个系统时基。位于已知位置的两个接 下来定位单元装置703和704时间同步于第一定位单元装置的参考定 位信号705。第四定位单元装置706，位于一个已知位置但超出第一定 位单元装置701范围，同步于第二定位单元装置唯一定位信号707。 因此，系统允许通过定位单元装置通过中间定位单元装置进行精确的 级联时间传递。位置接收机708接收由全部可视的定位单元装置701， 703， 704和706所发射的时间同步定位信号709，并接下来计算一个 单点位置解。此外，在位置接收机708处所计算的时间将按时序同步 于参考定位单元装置701的参考时钟702。如果用户仅关心位置确定， 定位单元装置701内的参考时钟702的任意时间值是不重要的，那么， 参考定位单元装置701内的参考时钟702需要转到UTC。
由GNSS时基所控制的定位单元装置参考
在一颗WAAS卫星信号是不可获得且对于网络对准一个全球时 基是必要的情况下，可优选的是参考定位单元装置由一个GNSS时基 转到UTC。 一个GNSS时基需要位于一个已知位置的一个位置接收机 使用至少一个GNSS卫星计算一个时间解。使用这种技术，在50纳 秒范围内的时间精度是可以获得的。同步于参考定位单元装置的定位 单元装置之间的相对时间精度将保持在皮秒级。
网络间的位置解
多个参考发射机可以被用于产生多个自主网络。 一个自主网络具 有由参考发射机产生的它自己的唯一时基。位于单个自主网络内的位 置接收机能够使用一个单点位置解确定位置、速度和时间(PVT)。 相对于网络时基(即，参考发射机时钟)的位置接收机的时间将得到 确定，并被称为一种网络内的位置解。位于两个自主网络边缘并从两 个网络的定位单元装置中接收定位信号的位置接收机必须在确定它们
25的位置之前首先区分两个网络时基。这能够被描述为一种网络间的位 置解，并需要一个流动位置接收机在计算一个单点位置解决方法之前 首先选择单个时基并将时钟校正应用于第二时基。
在优选实施例中，定位单元装置在它们的网络数据中也包括网络
标识(网络I.D.)信息。网络I.D.映射定位单元装置的参考时间的互 连关系，以便对于每个可视的定位单元装置，定位单元装置和位置接 收机能够确定参考时钟数据的起源和比喻性的"血统"。这允许位于两 个自主网络边缘的一个定位单元装置或位置接收机确定哪个定位单元 装置与每个网络相关，因此，确定哪个定位单元装置需要在流动位置 接收机位置计算内进行时钟校正。每个定位单元装置接收来自所有其 他的可视定位单元装置的网络I.D.信息，并作为响应产生并向所有其 他的可视定位单元装置和流动位置接收机发射它自己的网络I.D.信 息。
现在参考图8,这里描述定位单元装置801和802的两个自主网 络。定位单元装置801-1、 801-2和801-3处于彼此的视野范围内，并 通过定位信号803-1、 803-2和803-3进行相互通信。定位单元装置
802- 1、 802-2和802-3处于彼此的视野范围内，并通过定位信号804-1、 804-2和804-3进行相互通信。位于两个网络边缘附近的定位单元装置 801-3从一个相邻网络的定位单元装置802-3接收定位单元装置定位信 号804-3，并对于它自己网络801时基计算相邻网络时基的时基差或 时钟偏差。定位单元装置801-3在它的网络数据中传输用于相邻网络 的定位单元装置802-1、 802-2和802-3的时钟校正，该校正包含在它 的定位信号803-3中。因为在一个自主网络里的所有时钟是时间相干 的，当形成一个网络校正值时，来自仅一个相邻网络定位单元装置 801-3的定位信号需要由定位单元装置801-3接收。此外，仅一个定位 单元装置801-3需要测量一个相邻网络，因为它所传输的网络时钟校 正，在关于它的定位信号803-3的网络数据中所发送，被接收并向在 它自己的网络801内的其它定位单元装置进行转播，至于803-1和
803- 2接下来传输到流动位置接收机805。所传输的校正值，在定位单元装置801-3定位信号803-3的网络 数据中进行传输，是由在网络801和802之间流动的一个位置接收机 805所接收。流动位置接收机应用来自定位单元装置801-3的所接收 的网络时钟校正，并接下来使用所有可视的定位单元装置定位信号 803-1、 803-2和803-3和相邻网络的定位单元装置定位信号804-3计 算一个单点位置解。利用所计算的一个单点位置解，流动位置接收机 805时钟将与提供时钟校正的网络801时基时间相干。此外，相邻网 络的定位单元装置802-3也能够接收来自第一定位单元装置801-3的 定位信号803-3，并测量对于它自己网络802时基的第一网络801的 时基差。然后，相邻网络的定位单元装置802-3在它的定位信号804-3 内的它的网络数据中传输用于它的相邻网络的定位单元装置801-1 、 801-2和801-3的时钟校正，由此，如果需要，允许流动位置接收机 805在时基之间进行选择。
多频时间同步
在优选实施例中，多个定位信号被从每个定位单元装置以多个频 率传输。位置接收机接下来解释多个的定位信号以产生用于整载波周 期模糊度解算(AR)的一个所谓的宽通道。RF载波信号在通过发射 机和接收机电子器件时经历一个被称为"群延迟，，的时间延迟。群延迟 依赖于频率和周围温度能够变化一些纳秒。周此，从一个公共振荡器 中产生和通过同样传输路径传输的多个栽波频率将因为载波频率的不 同经历不等的时间延迟，并进一步经历由发射机电子器件的温度变化 所引起的变化的时间延迟。这导致所传输的定位信号不是相位相干的。 非相位相干的定位信号将距离误差引入宽通道模糊度解算(AR)过程。
一个定位单元装置能够通过传输多个频率不同的定位信号消除 来自一个参考发射机的非相干相位问题，这些定位信号单独同步于它
们各自的输入参考定位信号。 一个定位单元装置包含多个受控发射机 时钟，能够控制以多个载波频率发射的多个定位信号。定位单元装置 的位置接收机跟踪这些多个的频率不同的参考定位信号，也跟踪多个频率不同的从定位信号。定位单元装置时钟将每个频率不同的参考定 位信号同步于它的各自的频率不同的从定位信号，这样，每个从定位 信号按时序同步于参考发射机。然后，定位单元装置发射它的多个的 频率不同的定位信号，这些信号时间相干于来自参考发射机的群延迟。 利用至少三个可视的时间同步定位单元装置， 一个位置接收机从每个
可视的定位单元装置确定宽通道的整数模糊度解算(AR)。参考发射 机群延迟产生出一个AR距离误差，这在时间同步定位单元装置之间 是公有的。因此，在每个定位单元装置伪距上，引入距离误差的相同 AR是显而易见的。位置接收机将这种公有的伪距误差解释为一个接 收机时钟偏差，并在单点位置计算中消除该误差。
网络坐标构架
对于时间同步的先决条件是知道关于一个参考坐标系的定位单 元装置的位置。可以使用任何有效的坐标系，但在优选实施例中，使 用地心地固(ECEF)坐标系，这也是GPS和WAAS所用的坐标系。 在优选实施例中，定位单元装置从GNSS，和/或WAAS，和/或其他 定位单元装置中进行自身观测以确定一个ECEF坐标。
发射频率
在优选实施例中，定位单元装置在不为法定的2.4GHz到 2.48GHz的工业科学医学(ISM)带宽中进行发射。2.4GHz ISM带宽 允许定位单元装置网络的发展不受规章限制，不对如GPS的目前导航 系统产生沖突。2.4GHz ISM带宽也允许83.5GHz带宽，该带宽能够 被用于直接序列展布频语定位信号的所增加chipping率，或者对于宽 通道整数周模糊度解算使用多载波。
定位单元装置硬件说明
在优选实施例中， 一个定位单元装置包含一个位置接收机、 一个 发射机、 一个中央处理器(CPU)和一个公共振荡器。位置接收机包含多个能够接收多个定位信号的接收信道，每个信号包括一个载波部
分、 一个PRN码部分和一个数据部分。发射机包含至少一个RF载波 发生器、至少一个PRN码发生器和至少一个受控时钟。CPU包括用 于解释由位置接收机所接收的定位信号的装置，用于控制发射机响应 装置受控时钟的响应装置和用于产生导航数据的装置。公共振荡器向 定位单元装置的所有部分提供一个相干的局部时基。
现在参考图9，这里描述一种定位单元装置901，包含一个位置 接收机902、 一个发射机903、 一个中央处理器(CPU) 904和一个公 共振荡器905。位置接收机902包含多个接收信道906，发射机903 包含一个或多个载波发生器907， 一个或多个码发生器908和一个或 多个受控时钟909。 CPU 904包括用于位置接收机通信的装置910，用 于发射机通信的装置911和用于发射机受控时钟通信的装置912。
定位单元装置接收机
一个定位单元装置接收机包括至少一个能够接收和解调至少一 个来自一个参考发射机的参考定位信号的接收信道，至少一个能够接 收和解调至少一个同位发射机的从定位信号的接收频道。优选地，一
个定位单元装置接收机为了提高精确度和完整性能够接收多个参考定 位信号。定位单元装置接收机也应该优选地能够接收来自其他定位单 元装置的在2.4 GHz ISM波段中传输的定位信号和来自WAAS和 GNSS卫星的在微波L波段频率中传输的定位信号。 一个定位单元装 置接收机跟踪、解调并利用用于传统GPS接收机设计的相同方法解释 定位信号。GPS接收机的处理和设计在本领域是众所周知的，不作为 这里描述的主题。
定位单元装置发射机
一个定位单元装置发射机与一个常^L GPS伪卫星具有许多相同 之处，有一个主要的、关键的改善 一个受控发射机时钟。在优选实 施例中，受控发射机时钟是利用直接数字合成(DDS)技术在数字领
29域中产生。DDS技术产生一个数字发生振荡器，该振荡器能够被频率 控制到毫赫兹精度，因而允许发射机时钟精确"从属于"一个输入的参 考信号。发射机也包括至少一个射频(RF)载波发生器和至少一个伪 随机数(PRN)码发生器。RF载波发生器产生优选以2.4 GHz ISM 波段中传输的正弦射频波的载波部分，PRN码发生器产生一个包括一 个能够区分于在相同载波频率上传输的其他伪随机码序列的唯一码序 列码部分。多个的码能够在多个频率上产生以提供一个所谓的"宽通 道"，这允许载波整数周模糊度在一个流动位置接收机中得到解算。在 优选实施例中，定位单元装置发射机在一个时分多址(TDMA)方案 中得到脉冲调制，这样，高功率的CDMA定位信号不干扰在相同载 波频率上传输的较弱的CDMA定位信号。这种现象被称为"近/远问 题"，也是在本领域众所周知的。
定位单元装置中心处理器 定位单元装置CPU包括
a) 用于确定定位单元装置的当前位置的工具。 位置确定通过自身^L测或通过手动初始化得到完成。
自身观测需要定位单元装置处于至少四颗其他参考定位单元装 置的可视范围内以确定一个三维单点位置解，或者，作为选择， 一个 定位单元装置处于至少三颗GNSS卫星和至少一个参考定位单元装置 的可视范围内。在这个优选实施例中，参考定位单元装置向定位单元 装置的所有可视的GNSS卫星提供码和相位微分校正。然后，定位单 元装置计算相对于参考定位单元装置的精确位置。
手动初始化通过将定位单元装置放置在一个预定位置并手动将 地理坐标值输入定位单元装置存储器中得到完成。在优选实施例中， 第一定位单元装置使用精确的已知坐标得到手动初始化，接下来定位 单元装置从GNSS卫星和第一定位单元装置中进行自身观测。
b) 用于通过位置接收机初始化一个参考信号搜索的工具。
位置接收机的所有信道被设置进行搜索任意可视的参考定位信号。
C)用于获得至少一个参考定位信号并从导航数据部分提取网络 时间和网络数据的工具。
d) 用于确定从参考发射机到定位单元装置的信号传播延迟的工具。
参考发射机位置坐标首先从参考定位信号导航数据中提取出来， 并与已知的定位单元装置位置进行比较。所计算的在参考发射机和定 位单元装置之间的地理距离被转换成一个穿越时间偏移。
e) 用一个适当的唯一 PRN码初始化从发射机码发生器的工具。
f) 产生并将适当的网络时间和网络数据传送到发射机的工具， 该网络时间和网络数据作为在从定位信号中的导航数据进行传输。
导航数据在发射机发生的PRN码上进行调制。导航数据包括周 时间信息，定位单元装置位置和如其他定位单元装置和GNSS卫星的 位置和状态的其他网络数据。
g) 应用所计算的穿越时间偏移并将从发射机初始化为适当的网 络时间和频率的工具。
h) 启动位置接收机以搜索从定位信号的工具。
i) 获得从定位信号并应用一个控制环以获取参考和从定位信号 的频率相干的工具。
CPU测量参考和从定位信号的瞬时综合载波相位(ICP)差并应 用一个被称为"时间同步环(TLL)"的控制环。TLL的输出将校正值 应用到受控发射机时钟，以便将ICP差降为O。
j)从从定位信号导航数据部分中提取所传输的从时间并确定参 考定位信号和从定位信号之间的时间差的工具。
k)将受控发射机时钟时间转动到所需数量以参考定位信号和从 定位信号之间的时间差降为0的工具，这样，从定位信号按时序与参 考发射机时间对齐。
1)表明时间同步状态的工具。
31公共振荡器
通用振荡器向定位单元装置的所有部分提供一个相干局部时基。
尤其是，同一个振荡器被用于驱动位置接收机，CPU和受控的发射机 时钟。 一个相干局部时基使用一个所谓的频率跟踪系统(FTS)允许 对所接收的参考定位信号进行开环频率跟踪。利用FTS，所接收的参 考定位信号频率偏移，如由定位单元装置位置接收机所测得的，被直 接反馈到定位单元装置的受控发射机时钟。受控发射机时钟只是仿真 输入的参考定位信号的频率偏移值，因而，消除公共振荡器项并保持 在参考和从定位信号之间的参考/从频率同步。FTS有助于从定位信 号的获得和时间校准。
移动系统描述
一个流动位置接收机优选地包括多个能够接收并解释来自定位 单元装置的定位信号的接收信道，定位信号优选地在2.4MHz ISM波 段进行传输。流动位置接收机也优选地能够接收并解释来自GNSS和 WAAS卫星的在L波段频率进行传输的定位信号。流动位置接收机优 选地能够解调包含来自所有可视的定位信号的网络数据的导航数据。 这允许确定定位单元装置的网络时间、GNSS时间、定位单元装置位 置、卫星位置和其他网络和GNSS数据。在优选实施例中，网络时间 通过WAAS卫星出自于GNSS时间，由此，使网络时间和GNSS时 间时间相干。 一个流动位置接收机也优选地包含对于每个可视定位信 号进行基于码的伪距测量的装置，对于每个可视定位信号进行载波相 位测量的装置，和使用单点位置确定解出位置、速度和时间(PVT) 的装置。单点位置确定能够通过使用一种常规的GPS位置求解方法完 成，这种方法通常是在本领域众所周知的最少平方回归的形式。
流动位置接收机优选地包含确定整数周模糊度的装置。在优选实 施例中，整数周模糊度使用宽通道技术得到解算。 一旦整数周模糊度 得到解算，从流动位置接收机到定位单元装置的一个精确载波相位伪
距得到确定。载波伪距包括一个载波周期的整数(整数部分)和一个部分载波周数目(不足一周的部分或相位部分)，并因为未知的接收 机时钟偏差被称为伪距。时间同步定位单元装置展示出几十皮秒的时 间相干，由此，允许从精确的载波伪距中形成一个单点位置解，而不 需要微分校正。
一个位置接收机使用常规GPS接收机设计中所使用的同样的方
法跟踪、解调并解释由时间同步定位单元装置网络所产生的定位信号。
GPS接收机的处理和设计，还有宽通道模糊度解算在本领域中是众所
周知的，不作为这里描述的主题。
当然，应当意识到，虽然通过本发明的示例给出了上述内容，但
比
更，被认为落入在此陈述的本发明的大范围内
权利要求
1. 一种在接收到的由至少一个参考发射机发送的参考定位信号和由定位单元装置产生的唯一定位信号之间产生频率相干的方法，所述方法包括以下步骤a)接收所述参考定位信号；b)测量所述接收参考定位信号相对于公共振荡器的频率偏移；c)调整频率可控时钟一个从所述测量的频率偏移(b)得到的量；d)产生所述唯一定位信号，其中所述唯一定位信号与所述频率可控时钟对齐；e)通过将所述测量的频率偏移(b)应用于所述频率可控时钟来连续调整所述唯一定位信号，所述频率可控时钟参考所述公共振荡器；从而所述调整的唯一定位信号的频率与所述参考定位信号的频率对齐。
2. 如权利要求1所迷的产生频率相干的方法，其中所迷频率可控时 钟在步骤(c)中被调整与所述测量的频率偏移(b)相等的量。
3. 如权利要求1所述的产生频率相干的方法，其中所述被调整的定 位唯一信号被发送。
4. 如权利要求1所述的方法，其中所述被调整的唯一定位信号(e) 作为其他定位单元装置的参考定位信号。
5. 如权利要求1所述的产生频率相干的方法，其中所述方法还包括 通过施加附加频率偏移一个预定的时间段以时间转动所述唯一定位信 号来调整所述频率可控时钟的步骤。
6. 如权利要求1所迷的方法，其中所述至少一个参考发射机包括定位单元装置、广域增强系统卫星、全球导航卫星系统卫星、伪卫星、 或其他任何包含定时信息的装置。
7. —种定位单元装置，用于在接收的由至少一个参考发射机发送的 参考定位信号和由所述定位单元装置产生的唯一定位信号之间产生频 率相干，所述定位单元装置包括a) 用于接收所述参考定位信号的装置；b) 用于测量所述接收的参考定位信号相对于公共振荡器的频率偏 移的装置；c) 用于调整频率可控时钟一个从所述测量的频率偏移(b)得到的量的装置；d) 用于产生所述唯一定位信号的装置，其中所述唯一定位信号与所述频率可控时钟对齐；e) 用于通过将所述测量的频率偏移(b)应用于所述频率可控时钟来 连续调整所述唯一定位信号的装置，所述频率可控时钟参考所述公共 振荡器；从而所述调整的唯一定位信号的频率与所述参考定位信号的频率 对齐。
8. 如权利要求7所述的定位单元装置，其中所述频率可控时钟在步 骤(c)中被调整与所述测量的频率偏移(b)相等的量。
9. 如权利要求7所述的定位单元装置，其中所述被调整的唯一定位 信号被发送。
10. 如权利要求7所述的定位单元装置，其中所述被调整的唯一定 位信号(e)作为其他定位单元装置的参考定位信号。
11. 如权利要求7所述的定位单元装置，其中所述频率可控时钟还包括通过施加附加频率偏移一个预定的时间段以时间转动所述唯一定 位信号来调整所述频率可控时钟的装置。
12.如权利要求7所述的定位单元装置，其中所述至少一个参考发 射机包括定位单元装置、广域增强系统卫星、全球导航卫星系统卫星、 伪卫星、或其他任何包含定时信息的装置。
全文摘要
本发明公开一种系统和方法，用于在接收的由至少一个参考发射机发送的参考定位信号和由定位单元装置产生的唯一定位信号之间产生频率相干。定位单元装置接收参考定位信号并测量接收的参考定位信号相对于公共振荡器的频率偏移。一旦频率偏移被测量，该定位单元装置调整频率可控时钟一个从所测量的频率偏移得到的量。定位单元装置然后产生唯一定位信号，其与频率可调时钟对齐。此外，定位单元装置通过将所述测量的频率偏移应用于所述频率可控时钟来连续调整所述唯一定位信号，所述频率可控时钟参考所述公共振荡。随后，所述调整的唯一定位信号的频率与所述接收的参考定位信号的频率对齐。
文档编号G01S1/24GK101487882SQ20081014439
公开日2009年7月22日 申请日期2002年11月1日 优先权日2001年11月2日
发明者戴维·斯莫尔 申请人:Qx有限公司