在位置网络内提供辅助数据的系统和方法

专利名称：在位置网络内提供辅助数据的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于在移动设备中产生位置确定的系统和方法。本发明尤其应用于在该移动设备被应用于帮助捕获和跟踪信号以用于后续位置确定时，该移动设备内的时间和频率确定。
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机信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信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纬度、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，(4)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。
常规的基于载波的微分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载波相位测量，然后，通过一个RF数据链将载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载波的任意个完整周，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 L1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载波的波长。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，用于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教导了使用微分校正来克服主时钟偏置(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，该地面收发信机信号包含了已经与卫星信号区别的信号(第7栏，第34到67行，和第8栏，第1到34行)。Sheynblat的专利教导了微分方法的进展，但没有教导、展示或建议一种非常期盼的系统，该系统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。
帮助捕获卫星信号大部分注意力已经集中在为移动装置提供位置能力。在许多这些移动装置中，卫星定位系统，如GPS，被用作主位置传感器。相对于大部分陆地产生的信号而言，卫星系统受到无力和难以捕获信号之苦。为了缩短从卫星系统获得位置解所需的时间，已经致力于为卫星接收机提供辅助或帮助技术，以虑及更快速的捕获，由此更快速的位置求解。当位置接收机具备清晰的视场(view of the sky)时，这些帮助技术缩短了获得位置解所需的时间，而且还降低了功耗。当位置接收机不具备清晰的视场时，这些帮助技术在由于信号弱而在其他情况下不可能完成时能够提供位置求解。
卫星定位信号检测需要搜索时间和频率空间来发现信号。通常，要顺序搜索一组时间和频率接收器，直到信号电平被确定为高于检测阈值。位置接收机的电子噪声底值，结合接收机在每个时间/频率接收器中能够停留的时间量，确定接收机的灵敏度。虽然较长的停留时间将准许检测较弱信号，但它们增加了覆盖时间/频率接收器所需的搜索时间，因为每个单独的接收器搜索要花更长的时间。减缓搜索时间增加的一种方法是并行地搜索多个时间和频率接收器。其中一种并行处理技术在Abraham的2004年3月9日申请的美国专利No.6,704,348中描述。虽然并行技术允许更长的停留时间，但许多卫星信号接收条件需要帮助以有效地搜索时间/频率空间。
为了从卫星信号计算位置接收机位置，必须知道卫星发射机的位置。需要卫星位置来实现基于来自每个卫星信号的距离(或伪距离)测量的位置计算。在传统的GPS接收机操作中，卫星位置信息是从以每秒50比特的速率广播的导航数据获得的。这种导航数据被解调以获取卫星位置信息。然而，导航数据比特的恢复对接收机的最小灵敏度增加了限制。接收机必须具有足够的灵敏度来解调这些数据比特。一般而言，当搜索弱信号时，停留时间受到卫星信号时间和频率位置中的预期变化以及位置接收机时钟的稳定性的限制。Abraham的2004年3月9日申请的美国专利No.6,704,348以及其他专利提供了多秒停留时间，从而使得灵敏度完全在传统的GPS接收机工作范围之下。然而，对于导航数据比特而言，比特变化以每20毫秒一次的速率发生。因此，信号必须足够强以使接收机能够在两个相邻的20毫秒周期之间区分数据比特变化。在GPS系统中，导航数据比特变化由接收信号中的基本上180度相移指示。这就限制了导航数据比特恢复的最大停留时间为20毫秒，而且强加了最小信噪比(SNR)以确保可接受的比特差错率(BER)。显然，位置接收机的灵敏度将受限制，要求相对于以基本上较长的停留时间获得的灵敏度解调导航数据比特。为了减小这种限制，帮助技术被实施，其为位置接收机提供导航数据或等效信息。LaMance等人的申请日为2003年4月1日的美国专利No.6,542,820举例说明了这种技术。
弱信号引起的主要问题包括a)来自接收机的较长停留时间，由此加长了找到信号的搜索时间，超出了接收机的容限，b)无法解码导航数据比特，以及c)信号太弱以至于无法被接收机检测到。虽然对于只是太弱而无法被检测到的信号还没有对策，Krasner的申请人为2000年10月17日的美国专利No.6,133,874是现有技术的示例，其教导了一种帮助捕获弱卫星信号的方法。在该专利中描述的方法包括用于位置接收机的时间、频率和导航数据比特帮助信息，使得位置接收机具有较小的搜索时间和频率搜索空间，由此不必从发射的信号中解码导航数据比特。所述的帮助技术需要使用通信网络，例如移动电话网络，来提供时间、频率和导航数据比特帮助。
现有技术系统需要使用通信网络来为位置接收机提供时间、频率和导航数据比特帮助。虽然导航数据比特帮助对于通信网络是自然合适之选，为基于卫星的定位系统提供时间和频率帮助超出了通信网络的范围，因此需要添加附加组件到通信网络中以实现这种功能。另外，许多导航应用需要位置接收机来确定位置但不需要通信信道。因此，添加通信发射机和接收机到位置接收机中不是所希望的。能够为基于卫星的定位系统提供帮助信息而不用添加通信网络的系统是高度期盼的。还高度期盼提供帮助信息的系统还提供能够被位置接收机使用的另外的测距信号。此外，还高度期盼提供作为基于卫星的测距信号的补充的定位能力，使得系统在有和没有基于卫星的测距信号的情况下都能工作。本发明通过按时序同步收发信机系统(下文称作定位单元装置)实现这些所期盼的目标，下面将对此进行说明。每个定位单元装置提供独特的测距信号，以及用于基于卫星的定位系统的帮助信息，而不需要求附加的通信信道或网络。

发明内容
本发明的一个目的是确定在一个定位单元装置，至少一个全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于同步定位单元装置的自主网络的网络时间的到达时间，并为该同步定位单元装置的自主网络内工作的位置接收机提供该到达时间，以帮助位置接收机捕获全球导航卫星系统(GNSS)信号。
本发明还有一个目的是确定在一个定位单元装置，至少一个全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于同步定位单元装置的自主网络的网络频率的到达频率，并为该同步定位单元装置的自主网络内工作的位置接收机提供该到达频率，以帮助位置接收机捕获全球导航卫星系统(GNSS)信号。
本发明还有一个目的是给位置接收机提供全球导航卫星系统(GNSS)系统时间和同步定位单元装置的自主网络的网络时间之间的时间偏移。
本发明还有一个目的是给位置接收机提供全球导航卫星系统(GNSS)系统频率和同步定位单元装置的自主网络的网络频率之间的频率偏移。
本发明还有一个目的是给在同步定位单元装置的自主网络内工作的位置接收机提供全球导航卫星系统(GNSS)的卫星轨道信息。
本发明的上述目的由一个定位系统实现，该系统包括一个在关于一个参考坐标系统已知位置的定位单元装置，该定位系统从关于一个参考坐标系统已知位置的参考发射机接收一个或多个参考定位信号。参考发射机包括其他定位单元装置，广域增强系统(WAAS)卫星，全球导航卫星系统(GNSS)卫星，伪卫星，或包含定时信息的任何其他信号。每一个所接收的参考定位信号优选具有一个载波部分，一个伪随机码部分和一个数据部分。定位单元装置，响应于所接收的参考定位信号和它们的已知位置，产生一个唯一定位信号。该唯一的定位信号具有一个按时序同步于所接收的定位信号的一个或多个载波部分的载波部分，一个按时序同步于所接收的定位信号的一个或多个伪随机码部分的伪随机码部分，和一个按时序同步于所接收的定位信号的一个或多个数据部分的数据部分。一旦一个定位单元装置按时序同步于一个参考发射机，进入该网络的其它定位单元装置能够使用它的唯一发射的定位信号作为参考定位信号。按时序同步的定位单元装置的地理分布产生一个定位信号的时间相干网络。由此，本发明的方法允许一种在相当大范围的地理区域内传播一个极精确的时基的独特能力。
该系统还包括至少一个流动位置接收机。该流动位置接收机通过对每一个所接收的按时序同步的伪随机码部分进行伪距测量能够进行基于码的单点位置确定，并且一旦载波整数周模糊度被解算出，它通过对每一个所接收的按时序同步的载波部分进行伪距测量能够进行基于载波的单点位置确定。一个按时序同步的定位系统的形成允许流动位置接收机有能力自主计算基于码和精确载波的单点定位的解，而不需要微分校正。而且，在该网络内不需要绝对的时间精度(在现有技术通常由原子时标准获得)。
上面所述的方法，其中定位单元装置按时序同步于至少一个参考发射机，将在下文被称作“时间同步”。


图1是根据本发明的一个时间同步实施例的图示，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是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，包含向一个定位单元装置广播的单个参考发射机。
图3是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，包含向多个定位单元装置广播的单个参考发射机。
图4是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，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是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，包含向一个定位单元装置广播的多个参考发射机。
图6是根据本发明的的另一个时间同步实施例的图示，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是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，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是根据本发明的另一个时间同步实施例的图示，包含两个自主定位单元装置网络和位于这两个网络的边界的流动位置接收机。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。
具体实施例方式
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。
系统和方法图1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1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载波相位(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载波相位差。
为使从定位信号206与参考发射机202时基精确时间同步，必须计算参考发射机天线207和定位单元装置接收机天线208之间的信号传播延迟。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CPU 211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1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锁定到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CPU 211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进行等待以虑及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205一样的频率偏移和随机码相位值，以便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锁定到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0ICP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之间是公共的。
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，控制环得到重新采用。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205PRN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是在上面所述的状态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/从都锁定一旦所有的上面状态得到实现，CPU 211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。载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载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203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1575.42MHz的GPS L1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2.4GHzISM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2.4GHz的从定位信号时间同步于1575.42MHz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。
用于GNSS和定位单元装置网络的时基信息GNSS是同步网络，并且在概念上与其他相邻或共同可视定位单元装置网络相同。用于GNSS和定位单元装置网络的时基是由定位单元装置通过监控来自GNSS和定位单元装置网络的定位信号，并在定位单元装置的位置已知时计算每个网络的时间解，或在定位单元装置的位置未知时计算位置、速度、时间解来计算的。定位单元装置网络和相邻GNSS之间的时基差是由每个定位单元装置基于每个网络的观测时基计算的。网络之间的这种时基差被计算作为GNSS网络相对于定位单元装置网络的偏移。作为替换，该偏移可以被计算作为定位单元装置网络相对于GNSS网络的偏移。所计算的时基偏移被定位单元装置发送到流动位置接收机。该时基差可包括时间差，时间-速率(频率)差，时间加速度(频率-速率)，以及相邻网络之间的其他定时差。
位置接收机使用时基偏移来校正取自GNSS网络的测量到与定位单元装置网络相同的时基。作为替换，定位单元装置网络时基可以被校正到GNSS网络时基。此外，每个网络还可以被校正到与定位单元装置网络时基或GNSS时基都不同的第三时基。一旦测量在相同时基，这些测量可以被一起用来执行位置求解。这种自主测量处理，有时被称为单点定位，是非常期盼的，因为除了GNSS和定位单元装置网络所提供的信息之外，不需要向位置接收机提供附加信息。这种概念通过使用多个时基校正可以从单个GNSS网络和单个定位单元装置网络扩展到一个或多个定位单元装置网络以及一个或多个GNSS网络。
使用定位单元装置作为用于流动位置接收机的频率参考GNSS接收机必须在一个频率范围内搜索GNSS信号，这是因为a)本地频率参考的不确定性，b)由GNSS卫星的移动感应的多谱勒，以及c)由位置接收机的移动感应的多谱勒。对于一个示意性实例，陆地位置接收机的GPS频率搜索空间是以下的组合1)卫星感应的多谱勒，近似最大值为6kHz，2)本地频率参考的不确定性，大约1.5kHz(基于GPS接收机的百万分之一(ppm)的典型参考，换算为1575.42MHz)，以及3)位置接收机移动感应的大约220Hz的多谱勒(给定150km/hr或41.6m/s的最大速度)。这些频率不确定性的组合大约为8kHz。因此，这种典型的GPS接收机将必须搜索+/-8kHz频率不确定性空间，直到找到信号。该典型的GPS接收机搜索500Hz宽的频率接收器，相当于1毫秒的相干积分。因此，对于全频搜索，典型的GPS接收机将必须在32个不同的频率接收器中搜索。
定位单元装置信号，不同于GPS卫星，在被安装到如本发明的优选实施例所述的固定位置时没有发射机感应的多谱勒。这种网络配置因此去除了由发射机移动感应的6kHz的频率不确定性，导致大约+/-1.7kHz的总搜索空间来搜索定位单元装置定位信号。典型的位置接收机可以用总共8个频率接收器搜索或搜索GPS卫星所需的大约1/5搜索时间来搜索该频率不确定性范围。在捕获了单个定位单元装置的信号之后，由于第一定位单元装置的发射频率与网络中的其他定位单元装置相同，本地频率参考中的不确定性被去除。这又进一步从必须被搜索的频率不确定性空间中去除了与本地频率参考有关的另外1.5kHz。因此，在搜索后续定位单元装置时，仅仅通过定位接收机移动导出频率不确定性。对于许多应用而言，最大感应的多谱勒为大约220Hz。所产生的+/-220Hz频率搜索是用单个(500Hz)频率接收器实现的。因此，对于后续定位单元装置定位信号不需要频率搜索。剩余的定位单元装置定位信号将落入单个频率搜索接收器内。
频率搜索空间的减小不仅应用于搜索后续定位单元装置，而且应用于对GNSS信号的后续搜索。在该优选实施例中，位置接收机首先搜索定位单元装置定位信号。定位单元装置，在如优选实施例所述的陆地实施方式中，规定比基于卫星的系统更强，由此更容易检测和捕获信号。在捕获了第一定位单元装置定位信号之后，本地频率参考中的1.5kHz不确定性可以从频率搜索空间中去除，去除32个接收器中的6个。另外，每个定位单元装置发送定位单元装置观测到的相对于定位单元装置网络时间的GNSS卫星多谱勒。GNSS卫星多谱勒由定位单元装置通过跟踪定位单元装置内的GNSS定位信号来计算。GNSS卫星多谱勒观测，或GNSS卫星多谱勒观测模型，被置于定位单元装置定位信号的导航数据比特流部分。位置接收机然后使用由定位单元装置导航数据提供的GNSS多谱勒来计算GNSS卫星相对于定位单元装置网络时间的多谱勒频率。在本优选实施例中，位置接收机1)捕获第一定位单元装置，2)解码来自第一定位单元装置导航数据比特流的GNSS卫星多谱勒信息，以及3)计算要搜索的GNSS卫星多谱勒搜索接收器。在许多情况下，对于GNSS卫星的搜索也可以减少到单个频率接收器。
倘若在定位单元装置网络上的频率参考是共同的，所有定位单元装置都按时序同步。位置接收机中的本地频率参考是利用从载波跟踪环导出的多谱勒测量来校准的，该载波跟踪环被用于跟踪来自定位单元装置的定位信号。因此，位置接收机频率参考可以利用来自单个定位单元装置的信号，或来自一个或多个定位单元装置的组合的信号，被控制到共同的网络频率参考。控制位置接收机本地频率参考优选通过数学建模来实现。作为替换，本地参考频率可以被物理控制到定位单元装置频率参考，或其他方便的频率参考，如方便的GNSS系统的频率参考。该方法提供了一种用于捕获定位单元装置定位信号，如GNSS信号，或用于可从精确的频率参考受益的位置接收机内的其他功能的稳定和精确的频率参考。另外，取自定位单元装置定位信号的其他测量，如载波相位，积分载波相位(ICP)，伪距变化，或其他这些测量，都可以用于控制、模拟、或校正本地频率参考到共同网络频率参考。
定位单元装置发送在它们的定位信号导航数据比特流中定位单元装置可视的定位单元装置网络和GNSS网络之间的时间和频率偏移。因此，位置接收机可确定相对于位置接收机本地频率参考的GNSS系统频率。首先，位置接收机本地频率参考与定位单元装置网络频率(如上所述)同步。然后用在定位单元装置定位信号导航数据比特流中提供的GNSS系统频率偏移调节同步位置接收机本地频率参考。一旦位置接收机本地频率参考被调节到GNSS系统频率，GNSS系统频率可直接用于位置接收机。
在该优选实施例中，定位单元装置网络频率通过同步定位单元装置网络时间和频率到GNSS系统时间和频率与GNSS系统频率对齐。因此，定位单元装置网络和GNSS系统频率和时间被保持基本上相同，并且在捕获期间不需要校正。在一个替换实施例中，定位单元装置网络时间和频率被允许相对于GNSS系统时间和频率参考漂移。在此实施例中，调整定位单元装置网络时间和频率所需的数学校正在定位单元装置内被计算。每个定位单元装置然后在其定位信号导航数据流中发送调整定位单元装置网络时间和频率到GNSS系统时间和频率所需的数据模型的各个元素。
在流动位置接收机中使用定位单元装置时间同步定位单元装置的同步网络内的位置接收机可以利用相对于诸如GNSS的时间真值参考的时间知识，在搜索GNSS卫星时提高位置接收机的性能。提高性能所需的时间知识可以是粗略的时间，精度在几百毫秒和几分钟之间。需要这种级别的时间知识来确定哪些GNSS卫星在特定位置是可视的，或提供用于GNSS卫星信号测量的时间标志。到更精确级别的时间知识，几毫秒或更高级别，可以被用于其他用途。
一旦捕获到单个定位单元装置定位信号并且计算了定位单元装置网络时间，粗略的定位单元装置网络时间可用于流动位置接收机，而不需要位置接收机计算位置、速度、时间(PVT)解。在计算位置、速度、时间(PVT)解之前，对于位置接收机时钟存在不确定性，称为共模时偏。这种粗略网络时间的精度与位置接收机和定位单元装置之间的距离直接相关。例如，源自10公里远的定位单元装置的时间导致位置接收机内的时间标志误差为大约30微秒，加上在确定流动接收机位置之前的任何共模时偏。所述时间标志信息可用于位置求解和/或可用于附加定位信号的捕获和时间标记。
当捕获附加的定位单元装置定位信号时，位置接收机的共模时偏对于所有定位单元装置定位信号都是共同的。利用这种知识，可以利用粗略时间估计搜索和捕获其他定位单元装置定位信号。例如，假设可视的所有定位单元装置已知在位置接收机的10公里以内，而且已经捕获到第一定位单元装置。由此可以断定，其余定位单元装置定位信号将在第一定位单元装置定位信号的大约30微秒以内。
定位单元装置网络时间和GNSS系统时间之间的时间偏移在定位单元装置导航数据比特流内广播。一旦位置接收机已经建立了定位单元装置网络时间，该时间偏移为定位接收机提供GNSS时间。定位单元装置跟踪GNSS信号相对于定位单元装置网络时间的相对延迟(伪距)，并在导航数据比特流内广播这些相对延迟。GNSS信号相对于定位单元装置网络时间的相对时间偏移，加上定位单元共模时偏的知识的结合，在捕获GNSS信号时提供了时间帮助。为了示例性实例，如果定位单元装置网络时间已知在30微秒内，如上述例子所述，GNSS时间也将已知在30微秒以内。
上述时间帮助实例假设位置接收机内的相对延迟对于GNSS和定位单元装置信号是共同的。如果GNSS和定位单元装置信号处于相同频率，这一般来说是真的。如果GNSS和定位单元装置信号处于不同频率，则将会导致由位置接收机的射频(RF)成分的频率相关延迟所引起的相对偏移。然而频率相关的相对RF延迟通常要比对时间帮助所期盼的精度要小得多，在时间帮助中，时间帮助精度通常按照几十微秒来描述。
GPS C/A码信号以1.023Mbps的码片(chipping)速率每毫秒重复一次。这导致要搜索1000微秒的时间延迟空间来寻找GPS信号。因此，如果定位单元装置网络时间在30微秒内被提供给位置接收机，该GPS时间搜索从1000微秒被缩短到60微秒(+/-30微秒)。从定位单元装置可用的时间，在与对GNSS系统时间的时间偏移结合时，允许GNSS接收机不用全时间-空间搜索就能捕获GNSS卫星。当位置接收机捕获了足够数量的定位单元装置定位信号以计算位置、速度、时间(PVT)解，而且本地位置接收机时钟偏置已经被解算出时，GNSS卫星的时间-空间搜索被进一步减少。
除了定位单元装置网络时间和GNSS系统时间之间的时间校正，定位单元装置发送信息到位置接收机以帮助GNSS卫星捕获和跟踪。GNSS卫星数量，到卫星的近似距离，预测的卫星感应的多谱勒和其他帮助信息，在定位单元装置定位信号导航数据流中提供。这使得位置接收机更快地捕获GNSS卫星信号。这种相同的捕获信息还将为网络中的其他定位单元装置，以及为任何相邻网络提供。
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。因此，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载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冲突。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谱定位信号的所增加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2.4GHz 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规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2.4GHz 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。
位置确定通过自身观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0。
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。
l)表明时间同步状态的工具。
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，但对于本技术领域的技术人员显而易见的所有这些和其他的修改和变更，被认为落入在此陈述的本发明的大范围内。
权利要求
1.一种用于在由全球导航卫星系统(GNSS)和定位单元装置的同步网络组成的位置系统中为位置接收机提供辅助的方法，所述定位单元装置的同步网络提供同步网络时间和同步网络频率，所述方法包括a)在定位单元装置处理全球导航卫星系统(GNSS)信号以确定辅助数据，所述辅助数据包括i)全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于所述同步网络时间的到达时间；以及ii)全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于所述同步网络频率的频率；b)将所述确定的辅助数据并入到由所述定位单元装置发送的定位信号中，c)在所述位置接收机分析所述定位信号，以i)提取所述确定的辅助数据；和ii)确定所述同步网络时间和所述同步网络频率；d)在对应于所述提取的辅助数据、所述确定的同步网络时间和所述同步网络频率的范围内，在所述位置接收机搜索全球导航卫星系统(GNSS)信号。
2.根据权利要求1的方法，其中所述确定的同步网络时间包括所述定位单元装置的相对接收时间偏移。
3.根据权利要求1的方法，其中所述确定的同步网络时间来自在所述位置接收机从定位单元装置的所述同步网络计算的位置、速度和时间(PVT)解。
4.根据权利要求1的方法，其中所述辅助数据进一步包括全球导航卫星系统(GNSS)系统时间和所述同步网络时间之间的时间偏移。
5.根据权利要求1的方法，其中所述辅助数据进一步包括全球导航卫星系统(GNSS)系统频率和所述同步网络频率之间的频率偏移。
6.根据权利要求1的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)的卫星轨道信息。
7.根据权利要求1的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)信号的频率速率。
8.根据权利要求1的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)的频率加速度。
9.一种用于在由全球导航卫星系统(GNSS)和定位单元装置的同步网络组成的位置系统中为位置接收机提供辅助的方法，所述定位单元装置的同步网络提供同步网络时间，所述方法包括a)在定位单元装置处理全球导航卫星系统(GNSS)信号以确定辅助数据，所述辅助数据包括全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于所述同步网络时间的到达时间；以及b)将所述确定的辅助数据并入到由所述定位单元装置发送的定位信号中，c)在所述位置接收机分析所述定位信号，以i)提取所述确定的辅助数据；和ii)确定所述同步网络时间；d)在对应于所述提取的辅助数据和所述确定的同步网络时间的范围内，在所述位置接收机搜索全球导航卫星系统(GNSS)信号。
10.根据权利要求9的方法，其中所述确定的同步网络时间包括所述定位单元装置的相对接收时间偏移。
11.根据权利要求9的方法，其中所述确定的同步网络时间来自在所述位置接收机从定位单元装置的所述同步网络计算的位置、速度和时间(PVT)解。
12.根据权利要求9的方法，其中所述辅助数据进一步包括全球导航卫星系统(GNSS)系统时间和所述同步网络时间之间的时间偏移。
13.根据权利要求9的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)的卫星轨道信息。
14.一种用于在由全球导航卫星系统(GNSS)和定位单元装置的同步网络组成的位置系统中为位置接收机提供辅助的方法，所述定位单元装置的同步网络提供同步网络频率，所述方法包括a)在定位单元装置处理全球导航卫星系统(GNSS)信号以确定辅助数据，所述辅助数据包括全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于所述同步网络频率的频率；b)将所述确定的辅助数据并入到由所述定位单元装置发送的定位信号中，c)在所述位置接收机分析所述定位信号，以i)提取所述确定的辅助数据；和ii)确定所述同步网络频率；d)在对应于所述提取的辅助数据和所述同步网络频率的范围内，在所述位置接收机搜索全球导航卫星系统(GNSS)信号。
15.根据权利要求14的方法，其中所述辅助数据进一步包括全球导航卫星系统(GNSS)系统频率和所述同步网络频率之间的频率偏移。
16.根据权利要求14的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)的卫星轨道信息。
17.根据权利要求14的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)信号的频率速率。
18.根据权利要求14的方法，其中所述辅助数据进一步包括所述全球导航卫星系统(GNSS)的频率加速度。
全文摘要
公开了一种用于在由全球导航卫星系统(GNSS)和定位单元装置的同步网络组成的位置网络中为位置接收机提供辅助的系统和方法。定位单元装置观测接收的全球导航卫星系统(GNSS)信号相对于定位单元装置的同步网络的时间和频率。这些时间和频率观测作为辅助数据被调制到定位信号上，这些定位信号被定位单元装置广播。位置接收机解调辅助数据并分析定位信号。位置接收机然后在根据辅助数据和对所接收的定位信号的分析的范围内搜索全球导航卫星系统(GNSS)信号。
文档编号H04B7/185GK1833178SQ200480022317
公开日2006年9月13日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年8月5日
发明者小詹姆斯·W·拉蔓斯, 戴维·斯莫尔 申请人:洛克达公司