广域定位系统的制作方法
【专利摘要】描述了用于确定接收器的位置的系统和方法。定位系统包括包含广播定位信号的发射器的发射器网络。定位系统包括获取和跟踪定位信号和/或卫星信号的远程接收器。卫星信号是基于卫星的定位系统的信号。远程接收器的第一模式使用远程接收器使用定位信号和/或卫星信号计算位置的基于终端的定位。定位系统包括耦合到远程接收器的服务器。远程接收器的第二操作模式包括服务器根据定位信号和/或卫星信号计算远程接收器的位置的基于网络的定位，其中，远程接收器接收并向服务器传递定位信号和/或卫星信号。
【专利说明】广域定位系统
[0001] 相关申请
[0002] 本申请是200980142392. 2申请案的分案申请，该母案为PCT/US2009/056572(国 际申请日2009年9月10日）于2011年4月22日进入中国的发明专利申请。
[0003] 本申请要求2008年9月10日提交的美国（US)专利申请61/095, 856号的优先权。
[0004] 本申请要求2009年3月24日提交的US专利申请61/163, 020号的优先权。
【技术领域】
[0005] 本文中的公开一般地涉及定位系统。特别地，本公开涉及一种广域定位系统。
【背景技术】
[0006] 像全球定位系统（GPS)这样的定位系统已使用了许多年。然而，在信号状况不佳 时，这些传统定位系统会具有劣化的性能。
【发明内容】
[0007] 本申请提供以下发明：
[0008] (1). -种向接收器发射定位信号的方法，用于通过接收器计算该接收器的估计位 置，包括：广播定位信号，所述定位信号来自发射器网络中的每个发射器，
[0009] 其中每个定位信号包含：伪随机数序列和辅助数据，
[0010] 所述发射器使用定时参考进行同步，而且
[0011] 发射器自发地进行定时差调整并提供给所述接收器。
[0012] (2).如（1)所述的方法，所述发射器使用粗略定时参考进行同步。
[0013] (3).如⑴或⑵所述的方法，其中，所述伪随机数序列是基于自相关函数从其它 伪随机数序列中选取的，所选取的伪随机数序列的自相关函数优于其它伪随机数序列的自 相关函数。
[0014] (4).如⑴?⑶中任一项所述的方法，其中，每个发射器在相同时隙内发射所述 伪随机数序列。
[0015] (5).如⑴?⑷中任一项所述的方法，其中，来自发射器的第一组发射器中的每 个发射器在时间上与其它发射器错开到分开的时隙中发射伪随机数序列。
[0016] (6).如（1)?（5)中任一项所述的方法，其中，发射器的第二组发射器中的每个发 射器在同一时隙中发射序列，并且所述序列包括不同的伪随机数。
[0017] (7).如（1)?（6)中任一项所述的方法，其中，第一组中每个发射器的载波信号在 频率上偏移于所述发射器中其它发射器的载波信号。
[0018] (8).如⑴?（7)中任一项所述的方法，其中，所述辅助数据包括如下列举中的至 少1种：波形脉冲的上升沿的系统时间、波形脉冲的下降沿的系统时间、发射器的地理编码 数据、相邻发射器的地理编码数据、邻近发射器中至少1个发射器使用的序列的索引、至少 1个发射器的时钟定时校正、本地大气校正、WAPS定时对于GNSS时间的关系、用以在伪距分 辨中协助接收器的本地环境的指示、从一组伪随机数序列的至少一种偏移、来自一组发射 器的一系列伪随机数序列、和使用特殊伪随机数序列的一些列发射器。
[0019] (9).如⑴?⑶中任一项所述的方法，其中，来自不同发射器的发送之间的定时 差被发射。
[0020] (10).如⑴?（9)中任一项所述的方法，其中
[0021] 发射器的布置能够使接收器接收来自至少3个发射器的信号，而且每个接收器位 置的几何精度衰减因子小于阈值，
[0022] 每个发射器的位置由最小化的函数所决定，所述最小化的函数是覆盖体积上几何 精度衰减因子的平方的体积积分，
[0023] 在所述定位系统中，所述体积积分相对于接收器位置的所有可能的坐标，
[0024] 所述最小化的函数相对于覆盖体积中特定覆盖区的多个可能的发射器位置中的 发射器位置坐标。
[0025] (11).如⑴?（10)中任一项所述的方法，其中，根据覆盖区的性能质量对所述函 数进行加权。
[0026] (12).如⑴?（11)中任一项所述的方法，其中，各发射器的时间校正被提供给接 收器。
[0027] (13).如⑴?（12)中任一项所述的方法，其中，至少1个参考接收器从各发射器 接收信号波形，并且使用所接受的信号波形为每个发射器做时间标签伪距测量。
[0028] (14).如⑴?（13)中任一项所述的方法，其中，利用与每个发射器相对应的定时 差和伪距测量进行定时差校正。
[0029] (15).如⑴?（14)中任一项所述的方法，包括将定时差校正应用到发射器的信 号。
[0030] (16).如⑴?（15)中任一项所述的方法，其中，GNSS定时接收器与发射器网络 中的一组发射器中的每个发射器位于同一位置，
[0031] 所述GNSS定时接收器从参考接收器接收差分校正，并利用差分校正为该组发射 器产生定时差校正。
[0032] (17).如（1)?（16)中任一项所述的方法，其中，来自发射器的一组发射器利用时 间传递与该组发射器的公共观测中的GNSS卫星为该组发射器产生定时差校正。
[0033] (18).如⑴?（17)中任一项所述的方法，其中，一组GNSS接收器中的每一个均 作为本地时间参数对应于该组发射器中的对应发射器，利用在得出定时脉冲中的至少1个 普通GNSS卫星来对准GNSS时间。
[0034] (19).如⑴?（18)中任一项所述的方法，其中，每个发射器发射相对于GNSS时 间的偏差，并且所述方法包括致使定时校正含有即将产生的偏差和GNSS时间。
[0035] (20).如⑴?（19)中任一项所述的方法，其中，所述定位信号包括定时同步和对 应校正信息。
[0036] (21).如⑴?（20)中任一项所述的方法，其中，每个发射器发射与GNSS相关联 的内置辅助数据的数据流的PRN序列。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1是根据实施例的广域定位系统的框图。
[0038] 图2是根据实施例的同步信标的框图。
[0039] 图3是根据实施例的使用转发器结构的定位系统的框图。
[0040] 图4是根据替选实施例的使用转发器结构的定位系统的框图。
[0041] 图5示出根据实施例的塔同步。
[0042] 图6是根据实施例的GPS规范的PPS生成器的框图。
[0043] 图7是根据实施例的GPS规范的振荡器。
[0044] 图8示出根据实施例的用于计数PPS与使得发射器的模拟部件能够发送数据的信 号之间时间差的信号图。
[0045] 图9是根据实施例的差分WAPS系统的框图。
[0046] 图10示出根据实施例的公共观看时间传递。
[0047] 图11示出根据实施例的双向时间传递。
[0048] 图12是根据实施例的接收器单元的框图。
[0049] 图13是根据实施例的RF模块的框图。
[0050] 图14示出根据实施例的信号上变频和/或下变频。
[0051] 图15是示出根据实施例的定位系统中时钟共享的框图。
[0052] 图16是根据实施例的从WAPS到GNSS接收器的辅助传递的框图。
[0053] 图17是示出根据实施例的从GNSS接收器到WAPS接收器的协助信息传递的框图。
[0054] 图18是根据实施例的从WAPS接收器提供WAPS辅助信息的实例结构。
[0055] 图19是根据实施例的用于估计h[n]中的最早到达路径的流程图。
[0056] 图20是根据实施例的用于估计参考相关函数的流程图。
[0057] 图21是根据实施例的用于估计噪声子空间的流程图。
[0058] 图22是根据替选实施例的用于估计噪声子空间的流程图。
[0059] 图23是根据另一替选实施例的用于估计噪声子空间的流程图。
[0060] 图24是根据又一替选实施例的用于估计噪声子空间的流程图。
[0061] 图25是根据再一替选实施例的用于估计噪声子空间的流程图。
[0062] 图26是根据实施例的使用来自各种系统的范围测量的混合位置估计的框图。
[0063] 图27是根据实施例的使用来自各种系统的位置估计的混合位置估计的框图。
[0064] 图28是根据实施例的使用来自各种系统的范围和位置估计的组合的混合位置估 计的框图。
[0065] 图29是根据实施例的用于确定混合位置解的流程图，其中，反馈来自WAPS/GNSS 系统的位置/速度估计以在速度估计和/或GNSS/WAPS位置的质量良好时不时帮助校准传 感器的漂移偏差。图30是根据实施例的用于确定混合位置解的流程图，其中，在不需要明 确返回的情况下作为GNSS和/或WAPS单元中的位置/速度计算的一部分估计传感器参数 (诸如偏差、规模和漂移）。
[0066] 图31是根据实施例的用于确定混合位置解的流程图，其中，将传感器校准与各位 置计算单元分开。
[0067] 图32是根据实施例的用于确定混合位置解的流程图，其中，作为各位置计算单元 的状态的一部分进行传感器参数估计。
[0068] 图33示出根据实施例的WAPS与其它系统之间信息的交换。
[0069] 图34是示出根据实施例的FM接收器与WAPS接收器之间地点、频率和时间估计的 交换的框图。
[0070] 图35是示出根据实施例的WLAN/BT收发器与WAPS接收器之间地点、时间和频率 估计的交换的框图。
[0071] 图36是示出根据实施例的蜂窝收发器与WAPS接收器之间地点、时间和频率估计 的交换的框图。
[0072] 图37是根据实施例的会话密钥设立的框图。
[0073] 图38是根据实施例的加密的流程图。
[0074] 图39是根据替选实施例的加密的安全性架构的框图。
【具体实施方式】
[0075] 描述了用于确定接收器的位置的系统和方法。实施例的定位系统包括：包括广播 定位信号的发射器的发射器网络。定位系统包括获取和跟踪定位信号和/或卫星信号的远 程接收器。卫星信号是基于卫星的定位系统的信号。远程接收器的第一模式使用远程接收 器使用定位信号和/或卫星信号计算位置的基于终端的定位。定位系统包括耦合到远程接 收器的服务器。远程接收器的第二操作模式包括这样的基于网络的定位：服务器根据定位 信号和/或卫星信号计算远程接收器的位置，其中，远程接收器接收并向服务器传递定位 信号和/或卫星信号。
[0076] 实施例的确定位置的方法包括在远程接收器处接收定位信号和卫星信号中至少 之一。从包括多个发射器的发射器网络接收定位信号。从基于卫星的定位系统接收卫星信 号。方法包括使用基于终端的定位和基于网络的定位中的一个确定远程接收器的位置。基 于终端的定位包括使用定位信号和卫星信号中至少之一在远程接收器处计算远程接收器 的位置。基于网络的定位包括使用定位信号和卫星信号中至少之一在远程服务器处计算远 程接收器的位置。
[0077] 在以下描述中，引入了大量具体细节以提供对描述的系统和方法的全面理解、以 及实现描述。然而，相关领域的技术人员将会认识到：可以在不具有具体细节中的一个或更 多个细节的情况下、或者利用其它部件、系统等实践这些实施例。在其它实例中，未示出、或 者未详细描述公知结构或操作，以避免妨碍公开的实施例的方面。
[0078] 图1是根据实施例的定位系统的框图。定位系统，在本文中也称作广域定位系统 (WAPS)或者"系统"，包括同步信标的网络、获取和跟踪信标和/或全球定位系统（GPS)卫 星的接收器单元（可选地，具有地点计算引擎）、以及包括塔索引、计费接口、专有加密算法 (可选地，地点计算引擎）的服务器。系统在操作的许可/未许可波段中操作，并且发送专 有波形以用于标定目的和导航目的。可以结合其它定位系统使用WAPS系统以求较好的地 点标定方案或者可以使用WAPS系统协助其它定位系统。在本文件的上下文中，定位系统是 标定纬度、经度和海拔坐标中的一个或更多个的系统。
[0079] 在本文件中，每当引用"GPS"时，均为GNSS(全球导航卫星系统）的较广泛意 义，GNSS可以包括诸如Glonass的其它已有卫星定位系统以及诸如Galileo和Compass/ Beidou的未来定位系统。
[0080] 图2是根据实施例的同步信标的框图。实施例的同步信标，在本文中也称作信标， 形成CDMA网络，且每个信标通过嵌入式辅助数据发送诸如哥尔德（Gold)码序列的具有良 好互相关属性的伪随机数（PRN)序列。可替选地，可以将来自每个信标发射器的序列以 TDMA格式在时间上错开到分开的时隙中。
[0081] 在地面定位系统中，要克服的主要挑战之一是远近问题，其中，在接收器处，远离 的发射器将会被附近的发射器阻塞。为了解决该问题，实施例的信标使用CDMA和TDMA技 术的组合，其中，本地发射器可以使用分开的时隙（TDMA)(可选地，不同码（CDMA))以减轻 远近问题。将会允许进一步更远的发射器在使用不同CDMA码的情况下使用相同的TDMA时 隙。这允许系统的广域可量测性。TDMA时隙可以是对确保的远近性能确定性的或者随机的 以提供良好的平均远近性能。还可以使载波信号偏移一些赫兹（例如，Gold码重复频率的 分数），以改进码的互相关性能以解决任何"远近"问题。当两个塔使用相同的TDMA时隙但 是不同的码时，可以通过在检测到较弱信号之前使用较强信号的干扰消除进一步抵抗接收 器中的互相关。
[0082] TDMA系统中的另一重要参数是TDMA时隙时段（也称为TDMA帧）。具体地，在WAPS 系统中，TDMA帧持续时间是同一发射器的两个连续时隙之间的时段。通过覆盖区域中定位 需要的发射器时隙的数量和TDMA时隙持续时间的乘积确定TDMA帧持续时间。通过灵敏度 要求确定TDMA时隙持续时间，虽然灵敏度不必由单个TDMA时隙限制。一个实例结构可以 使用1秒作为TDMA帧持续时间以及100ms作为TDMA时隙持续时间。
[0083] 另外，实施例的信标可以使用包括辅助数据的前导码或者可以用于信道估计和前 向检错和/或校正的信息，以帮助使得数据健壮。实施例的辅助数据包括但不限于以下内 容中的一个或更多个：在波形脉冲的上升沿或者下降沿的精确系统时间；塔的地理编码数 据（纬度、经度和海拔）；区域中各种发射器使用的序列的索引和相邻塔的地理编码信息； 对发射器（可选）和邻近发射器的时钟定时校正；本地大气校正（可选）；WAPS定时对于 GNSS时间的关系（可选）；用以在伪距分辨（resolution)中协助接收器的城区、半城区、乡 村环境的指示（可选）；以及从索引或PN序列的基本索引至Gold码序列的偏移。在广播 的发送数据帧中，可以包括这样的字段：包括用以因安全和/或许可管理原因停用单个或 一组接收器的信息。
[0084] 将来自实施例的不同信标和塔的发送的发送波形定时同步到公共定时参考。可替 选地，应当知道和发送来自不同塔的发送之间的定时差。以通过数据块的尺寸和数量确定 的间隔重复辅助数据，将以规则间隔递增的定时消息例外。可以使用专有加密算法加密辅 助数据，如本文中详细描述的。还可以加密扩频码以求附加的安全性。在预定义的频率上 变频和广播信号。准确校准发射器中的端到端延迟以确保信标之间的差分延迟小于大约3 纳秒。在侦听一组发射器的探测地点处使用差分WAPS接收器，可以找到对该组中发射器的 相对时钟校正。
[0085] 优化实施例的塔布置以求覆盖和地点准确性。将会以这样的方式布置塔的部署： 在网络内以及网络边缘处得地点中的大多数地点中从3个或更多个塔接收信号，使得这些 地点中每一个地点中的几何精度衰减因子（GD0P)小于基于准确性需要的预定阈值。将会 增强进行RF规划研究的软件程序以包括对网络中和周围的GD0P的分析。GD0P是接收器 位置和发射器位置的函数。在网络规划中结合⑶0P的一个方法是如下设立优化。要最
【权利要求】
1. 一种向接收器发射定位信号的方法，用于通过接收器计算该接收器的估计位置，包 括：广播定位信号，所述定位信号来自发射器网络中的每个发射器， 其中每个定位信号包含：伪随机数序列和辅助数据， 所述发射器使用定时参考进行同步，而且 发射器自发地进行定时差调整并提供给所述接收器。
2. 如权利要求1所述的方法，所述发射器使用粗略定时参考进行同步。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述伪随机数序列是基于自相关函数从其它伪随 机数序列中选取的，所选取的伪随机数序列的自相关函数优于其它伪随机数序列的自相关 函数。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，每个发射器在相同时隙内发射所述伪随机数序列。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，来自发射器的第一组发射器中的每个发射器在时 间上与其它发射器错开到分开的时隙中发射伪随机数序列。
6. 如权利要求5所述的方法，其中，发射器的第二组发射器中的每个发射器在同一时 隙中发射序列，并且所述序列包括不同的伪随机数。
7. 如权利要求5所述的方法，其中，第一组中每个发射器的载波信号在频率上偏移于 所述发射器中其它发射器的载波信号。
8. 如权利要求2所述的方法，其中，所述辅助数据包括如下列举中的至少1种：波形脉 冲的上升沿的系统时间、波形脉冲的下降沿的系统时间、发射器的地理编码数据、相邻发射 器的地理编码数据、邻近发射器中至少1个发射器使用的序列的索引、至少1个发射器的时 钟定时校正、本地大气校正、WAPS定时对于GNSS时间的关系、用以在伪距分辨中协助接收 器的本地环境的指不、从一组伪随机数序列的至少一种偏移、来自一组发射器的一系列伪 随机数序列、和使用特殊伪随机数序列的一些列发射器。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，来自不同发射器的发送之间的定时差被发射。
10. 如权利要求1所述的方法，其中 发射器的布置能够使接收器接收来自至少3个发射器的信号，而且每个接收器位置的 几何精度衰减因子小于阈值， 每个发射器的位置由最小化的函数所决定，所述最小化的函数是覆盖体积上几何精度 衰减因子的平方的体积积分， 在所述定位系统中，所述体积积分相对于接收器位置的所有可能的坐标， 所述最小化的函数相对于覆盖体积中特定覆盖区的多个可能的发射器位置中的发射 器位置坐标。
【文档编号】G01S19/11GK104122564SQ201410301460
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2009年9月10日 优先权日:2008年9月10日
【发明者】加内什·帕塔比拉曼, 苏布拉马尼安·梅亚潘, 阿伦·拉古帕蒂, 哈里·桑卡尔 申请人:耐克斯特纳威公司