同步定位网络的方法和设备与流程

本发明涉及用于同步定位网络的方法和设备，尤其是在网络装置的位置未知或分类的情况下，或者装置间信号传播距离否则是先验未知的情况下。然而，应当理解本发明并不限于这种特定的使用领域。

相关申请

本申请要求2018年3月14日提交的澳大利亚临时专利申请no.2018900841的优先权，该申请的内容通过引用整体包含在本文中。

背景技术：

在整个说明书中对现有技术的任何论述都决不应被认为是对这种现有技术是众所周知的或构成本领域的公知常识的一部分的认可。

美国专利no.7,616,682公开了用于使用从在已知并且固定的位置的地面发射器(称为定位单元装置)的同步网络发送的定位信号来为移动设备生成准确位置确定的方法和系统。这些方法和系统的关键是测量和校正每个定位单元装置中相对于指定参考装置的定时误差，所述参考装置本身可以是定位单元装置，从而建立和维持发送与参考装置的时基同步的定位信号的定位单元装置的网络。一旦给定的定位单元装置已经与参考装置的时基同步，它就可以将该时基中继到不能清晰看到参考装置的另外的定位单元装置，从而通过定位单元装置的扩展网络传播参考时基。然后，移动设备可以通过将已知的扩频技术应用于从多个定位单元装置、以及可能也从参考装置接收的信号来确定其位置。

在us7,616,682中公开的同步方法要求每个定位单元装置考虑从参考装置发送的参考信号的传播延迟，定位单元装置通常通过将几何距离(即各个天线之间的直线距离)除以光速来计算所述传播延迟。希望定位单元装置例如从它们自己的天线位置的先前测量和参考装置天线位置的先前测量先验地知道所述几何距离，其中参考装置能够将其天线位置作为其信号的数据分量的一部分广播。

然而，存在对定位单元装置来说，先验地知道到参考装置的几何距离可能是不切实际或者不可能的情况。例如，参考装置或定位单元装置的位置可能是未知的，或者对参考装置来说，广播其位置可能是不允许的或者不可取的。如果几何距离不代表来自参考装置的信号的实际传播路径，例如由于多径或者如果信号通过固定线路传播，则现有技术的同步方法的准确性也将受到损害。

需要使定位单元装置的信号与参考装置的时基同步的改进方法和设备。特别地，需要能够在几何距离或传播延迟未知时，测量从参考装置发送到定位单元装置的参考信号的传播延迟。

定义

在本文的描述和随后的权利要求书中，用语“包含”等应以包容的意义来解释，与用语“包括”等同义。例如，表述“包含a和b的设备”不应被局限于仅仅由元件a和b组成的设备。类似地，用语“或”应以包容而不是排他的意义来解释。例如，除非上下文明确地另有要求，否则表述“a或b”应理解成表示a、或者b、或者a和b两者。

发明的目的

本发明的目的是克服或改善现有技术的至少一个缺点，或者提供一种有用的替代方案。优选地，本发明的目的是提供一种在装置之一或两个位置的位置未知或被分类、或者参考信号传播延迟以其他方式先验未知的情况下，使定位单元装置的信号与参考装置的时基同步的方法和设备。

技术实现要素：

按照本发明的第一方面，提供一种用于使由第二装置生成并发送的第二信号与第一装置的时基同步的方法，所述方法包括以下步骤：

(i)所述第一装置生成并发送包含第一时间信息的第一信号，所述第一时间信息指示根据所述第一装置的时基的所述第一信号的发送时间；

(ii)所述第二装置：

(a)接收并解释所述第一信号；

(b)生成并发送包含第二时间信息的所述第二信号，所述第二时间信息指示所述第二信号的发送时间；

(c)接收并解释所述第二信号；

(d)计算所述第一时间信息和所述第二时间信息之间的第一时间差；和

(e)根据所述第一时间差调整所述第二信号的生成，从而调整所述第二信号和所述第二时间信息；

(iii)所述第一装置：

(a)接收并解释所述第一信号和调整后的第二信号；

(b)计算所述第一时间信息和调整后的第二时间信息之间的第二时间差；和

(c)发送所述第二时间差或者与其相关的量；和

(iv)所述第二装置：

(a)接收所述第二时间差或者相关的量，并由此获得所述第一信号的传播延迟的测量；和

(b)根据所述传播延迟的所述测量，调整所述第二信号的生成，

从而使所述第二信号与所述时基同步。

步骤(ii)(e)优选包含调整第二信号的生成以便使第一时间信息和第二时间信息之间的差最小化。

优选地，所述方法还包含在所述第二信号已与所述时基同步之后，所述第一装置的以下步骤：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；和

发送测量的相位或时间差或者相关量，

使得所述第二装置能够调整所述第二信号的生成，以便减轻传播所述第一信号时与环境相关的变化对所述第二信号与所述时基的同步的影响。

更优选地，第二装置根据测量的相位或时间差或者相关量来调整所述第二信号的生成。

在某些实施例中，第一信号和第二信号经由固定线路在所述第一装置和第二装置之间传输。固定线路可以包含同轴电缆或光纤。

在某些实施例中，所述方法还包含从操作上与所述第二装置关联的发射器广播与所述时基同步的第三信号的步骤。

按照本发明的第二方面，一种在生成并发送第二信号的第二装置已使用第一信号从生成并发送所述第一信号的第一装置到所述第二装置的传播延迟的名义(nominal)值、使所述第二信号名义上与所述第一装置的时基同步的设备中，用于识别所述第二信号和所述时基之间的时间残差的方法，所述方法包含所述第一装置的以下步骤：

a)接收并解释所述第一信号和所述第二信号；

b)测量接收的第一信号和接收的第二信号之间的时间差，由此能够计算所述时间残差；和

c)发送测量的时间差或者相关量，使得所述时间残差能够被校正或者补偿。

在优选实施例中，第二装置利用测量的时间差或者相关量来调整所述第二信号的生成，从而提高所述第二信号与所述时基的同步的准确性。

在其他实施例中，第三装置利用测量的时间差或者相关量对从所述第二装置接收的信号应用校正。

在某些实施例中，所述方法还包含在所述第二装置已调整所述第二信号的生成之后，所述第一装置的以下步骤：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；和

发送测量的相位或时间差或者相关量，

使得所述第二装置能够调整所述第二信号的生成，以便减轻传播所述第一信号时与环境相关的变化对所述第二信号与所述时基的同步的影响。

按照本发明的第三方面，提供一种用于使由第二装置生成并发送的第二信号与第一装置的时基同步的设备，所述设备包含：

具有第一时基的第一装置，所述第一装置被配置成生成并发送包含第一时间信息的第一信号，所述第一时间信息指示根据所述第一时基的所述第一信号的发送时间；和

第二装置，所述第二装置被配置成：

接收并解释所述第一信号；

生成并发送包含第二时间信息的第二信号，所述第二时间信息指示所述第二信号的发送时间；

接收并解释所述第二信号；

计算所述第一时间信息和所述第二时间信息之间的第一时间差；和

根据所述第一时间差调整所述第二信号的生成，从而调整所述第二信号和所述第二时间信息；

其中所述第一装置还被配置成：

接收并解释所述第一信号和调整后的第二信号；

计算所述第一时间信息和调整后的第二时间信息之间的第二时间差；和

发送所述第二时间差或者与其相关的量；

以及其中所述第二装置还被配置成：

接收所述第二时间差或者相关的量，并由此获得所述第一信号的传播延迟的测量；和

根据所述传播延迟的所述测量，调整所述第二信号的生成，

从而使所述第二信号与所述时基同步。

优选地，第二装置被配置成根据所述第一时间差调整所述第二信号的生成，以便使第一时间信息和第二时间信息之间的差最小化。

优选地，第一装置被配置成在所述第二信号已与所述时基同步之后：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；和

发送测量的相位或时间差或者相关量，

使得所述第二装置能够调整所述第二信号的生成，以便减轻传播所述第一信号时与环境相关的变化对所述第二信号与所述时基的同步的影响。

更优选地，第二装置被配置成根据测量的相位或时间差或者相关量来调整所述第二信号的生成。

在某些实施例中，第一装置和第二装置被配置成通过连接所述第一装置和第二装置的固定线路，发送和接收所述第一信号和第二信号。固定线路可以包含同轴电缆或光纤。

在某些实施例中，所述设备还包含操作上与所述第二装置关联的发射器，所述发射器用于广播与所述时基同步的第三信号。

按照本发明的第四方面，提供一种用于识别由第二装置生成并发送的第二信号和生成并发送第一信号的第一装置的时基之间的时间残差的设备，所述第二装置已使用所述第一信号从所述第一装置到所述第二装置的传播延迟的名义值，使所述第二信号名义上与所述时基同步，其中所述第一装置被配置成：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量接收的第一信号和接收的第二信号之间的时间差，由此能够计算所述时间残差；和

发送测量的时间差或者相关量，使得所述时间残差能够被校正或者补偿。

在优选实施例中，第二装置被配置成利用所述测量的时间差或者相关量来调整所述第二信号的生成，从而提高所述第二信号与所述时基的同步的准确性。

在其他实施例中，所述设备包含第三装置，所述第三装置被配置成利用测量的时间差或者相关量对从所述第二装置接收的信号应用校正。

在某些实施例中，第一装置被配置成在所述第二装置已调整所述第二信号的生成之后：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；和

发送测量的相位或时间差或者相关量，

使得所述第二装置能够调整所述第二信号的生成，以便减轻传播所述第一信号时与环境相关的变化对所述第二信号与所述时基的同步的影响。

按照本发明的第五方面，一种在生成并发送第二信号的第二装置已利用由第一装置生成并发送的第一信号、使所述第二信号与所述第一装置的时基同步的设备中，用于减轻传播所述第一信号时与环境相关的变化对所述同步的影响的方法，所述方法包含以下步骤：

(i)所述第一装置接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

(ii)所述第一装置测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；

(iii)所述第一装置发送测量的相位或时间差或者相关量；和

(iv)所述第二装置根据测量的相位或时间差或者相关量调整所述第二信号的生成，使得维持所述第二信号与所述时基的同步。

按照本发明的第六方面，提供一种用于减轻传播第一信号时与环境相关的变化对由第二装置生成并发送的第二信号与生成并发送所述第一信号的第一装置的时基的同步的影响的设备，其中所述第一装置被配置成：

接收并解释所述第二信号和所述第一信号；

测量所接收并解释的第一信号和第二信号之间的相位或时间差；和

发送测量的相位或时间差或者相关量；

以及所述第二装置被配置成：

根据测量的相位或时间差或者相关量调整所述第二信号的生成，使得维持所述第二信号与所述时基的同步。

按照本发明的第七方面，提供一种用于在定位网络中确定漫游位置接收器的位置的方法，所述定位网络包含具有时基的参考装置、以及生成并发送与所述参考装置的时基同步的定位信号的多个定位单元装置，其中所述定位单元装置中的至少一个定位单元装置通过以下操作使其定位信号与所述时基同步：

(i)所述参考装置生成并发送包含第一时间信息的参考信号，所述第一时间信息指示根据所述时基的所述参考信号的发送时间；

(ii)所述定位单元装置：

(a)接收并解释所述参考信号；

(b)生成并发送包含第二时间信息的所述定位信号，所述第二时间信息指示所述定位信号的发送时间；

(c)接收并解释所述定位信号；

(d)计算所述第一时间信息和所述第二时间信息之间的第一时间差；和

(e)根据所述第一时间差调整所述定位信号的生成，从而调整所述定位信号和所述第二时间信息；

(iii)所述参考装置：

(a)接收并解释所述参考信号和调整后的定位信号；

(b)计算所述第一时间信息和调整后的第二时间信息之间的第二时间差；和

(c)发送所述第二时间差或者与其相关的量；和

(iv)所述定位单元装置：

(a)接收所述第二时间差或者相关的量，并由此获得所述参考信号的传播延迟的测量；和

(b)根据所述传播延迟的所述测量，调整所述定位信号的生成，从而使所述定位信号与所述第一装置的时基同步，

以及其中所述漫游位置接收器利用包括从所述至少一个定位单元装置接收的定位信号的、从所述多个定位单元装置接收的定位信号的选择来计算位置解。

按照本发明的第八方面，提供一种用于使漫游位置接收器能够计算位置解的定位网络，所述定位网络包含：

参考装置，所述参考装置被配置成生成并发送包含时间信息的参考信号，所述时间信息指示根据所述参考装置的时基的所述参考信号的发送时间；和

多个定位单元装置，所述多个定位单元装置生成并发送与所述参考装置的时基同步的定位信号，其中所述定位单元装置中的至少一个定位单元装置被配置成：

接收并解释所述参考信号；

生成并发送包含第二时间信息的定位信号，所述第二时间信息指示所述定位信号的发送时间；

接收并解释所述定位信号；

计算所述第一时间信息和所述第二时间信息之间的第一时间差；和

根据所述第一时间差调整所述定位信号的生成，从而调整所述定位信号和所述第二时间信息；

以及其中所述参考装置被配置成：

接收并解释所述参考信号和调整后的定位信号；

计算所述第一时间信息和调整后的第二时间信息之间的第二时间差；和

发送所述第二时间差或者与其相关的量；

以及其中所述至少一个定位单元装置被配置成：

接收所述第二时间差或者相关的量，并由此获得所述参考信号的传播延迟的测量；和

根据所述传播延迟的所述测量，调整所述定位信号的生成，从而使所述定位信号与所述第一装置的时基同步，

这样的漫游位置接收器能够利用包括从所述至少一个定位单元装置接收的定位信号的、从所述多个定位单元装置接收的定位信号的选择来计算位置解。

按照本发明的第九方面，提供一种包含非临时性计算机可用介质的制品，所述计算机可用介质具有计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码被配置成执行按照第一、第二、第五或第七方面的方法，或者操作按照第三、第四或第六方面的设备，或者操作按照第八方面的定位网络。

附图说明

现在将参考附图，仅通过示例来描述本发明的优选实施例，附图中：

图1以示意形式图解说明按照本发明的实施例的用于使定位单元装置或从属装置的信号与参考装置的时基同步的设备；

图2表示描述按照本发明的实施例的用于使定位单元装置或从属装置的信号与参考装置的时基同步的方法的流程图；

图3以示意形式图解说明按照本发明的实施例的用于使定位单元装置或从属装置的信号与参考装置的时基同步的设备；

图4以示意形式表示其中从属装置使用固定线路链路，将从参考装置接收的时基传递给另一个从属装置的设备的选定组件；

图5以示意形式表示一种设备，其中通过固定线路从参考装置传递给从属装置的时基可被无线传播到远离参考装置的一个或多个其他装置；

图6表示描述用于在从属装置已利用参考信号传播延迟的名义值使其信号名义上与参考装置时基同步之后，识别从属装置的信号和参考装置的时基之间的时间残差的方法的流程图；和

图7以示意形式表示一种定位网络，其中漫游位置接收器能够利用从网络中的各个装置接收的信号确定其位置。

具体实施方式

无线实施例

图1以示意形式描述了对于例如在2.4ghzism频带中的无线传输的情况，适于使从第二从属装置6发送的信号4与第一参考装置10的时基同步的设备2。重要的是，不需要这两个装置的天线34、36之间的距离12的先验知识。

在图1中图解所示的实施例中，参考装置10包括发射器14、接收器16、cpu18和向发射器14提供频率标准的振荡器20。在图解所示的实施例中，振荡器20还向接收器16和cpu18馈送信号，而在其他实施例中，这些组件利用它们自己的振荡器。cpu18包括用于与发射器14、接收器16和振荡器20通信的电路和非临时性机器可读程序代码。在优选实施例中，发射器14包括rf载波发生器，用于产生与振荡器20的频率相关(例如为该频率的若干倍数或分数)的载波频率，以及至少一个伪随机数(prn)码发生器，用于产生唯一的码序列，所述唯一的码序列可以与例如由一个或多个从属装置6在相同载波频率上发送的其他码序列区分开。从而，由参考装置10生成的参考信号8通常具有载波分量和prn码分量，以及用于传送来自cpu18的数据(包括指示参考信号的发送时间的时间信息)的数据分量，参考信号的发送时间可以与参考装置10的时基相等。在本实施例中，参考装置时基将由振荡器20的相位和频率、发射器14产生的prn分量和cpu18产生的数据分量、加上在参考信号8从参考装置10发出之前的任何硬件延迟来决定。

在某些实施例中，例如，对于在自含式同步定位网络中的使用，参考振荡器20的绝对准确性和稳定性并不关键，例如可以使用温度补偿晶体振荡器(tcxo)。在另一个实施例中，参考振荡器20由诸如原子钟之类的外部频率参考22代替，该外部频率参考22可以经由gps信号或类似信号被引导到通用协调时间(utc)。该外部频率参考22例如可以向发射器14提供10mhz的参考信号和秒脉冲(pps)，以及向参考cpu18提供时间信息，以向参考装置10传递时基。

从属装置6通常包含接收器24、具有受控振荡器28的发射器26和cpu30。优选地，从属装置6还包含用于为其他组件提供公共频率的振荡器32。cpu30包括用于与发射器26、接收器24和受控振荡器28通信的电路和非临时性机器可读程序代码。在优选实施例中，受控振荡器是使用数字控制振荡器、分数n锁相环或直接数字合成(dds)技术在数字域中生成的。这些数字生成的振荡器可被频率控制到μhz精度，从而允许在下述同步过程中使从属信号4准确地“从动”到参考装置时基。在优选实施例中，从属发射器26包含rf载波发生器，用于产生与受控振荡器28的频率相关(例如为该频率的若干倍数或分数)的载波频率，以及至少一个伪随机数(prn)码发生器，用于产生唯一的码序列，所述唯一的码序列可以与例如由定位网络中的参考装置或其他从属装置在相同载波频率上发送的其他码序列区分开。从而，由从属装置6生成的信号4通常具有载波分量和prn码分量，以及用于传送来自cpu30的数据、连同指示信号的发送时间的时间信息的数据分量。通常，从属信号4的发送时间将由受控振荡器28的相位和频率、发射器26产生的prn分量和cpu30产生的数据分量、加上在从属信号4从从属装置6发出之前的任何硬件延迟来决定。

在图解所示的实施例中，参考装置10和从属装置6各自配备有单个振子天线34、36，比如用于发送和接收信号4、8的全向天线，和用于在发送模式和接收模式之间切换相应装置的tx/rx开关38、40。在备选实施例中，使用rf环行器或类似组件来代替tx/rx开关。参考装置10通过共用天线34发送和接收信号的能力，以及同样地，从属装置6通过共用天线36发送和接收信号的能力是有利的，因为它确保参考信号8和从属信号4经过对称路径。从而，参考信号8和从属信号4的飞行时间或传播延迟都可以被认为等于往返传播延迟的一半，而不管信号是否受到多径的影响。在备选实施例中，对于参考装置10或从属装置6，使用单独的发射和接收天线(未示出)，然而在这种情况下，多径可能不是对称的。

在参考信号传播延迟先验未知的情况下，在优选实施例中，按以下阶段实现从属信号4与参考装置10的时基的同步，或者更准确地，从属信号4的发送时间与从参考装置发送的参考信号8的发送时间(即参考装置10的时基)的同步：

阶段1：参考信号的获取和从属信号的发送

从属装置6接收包括指示参考信号的发送时间(即，参考装置时基)的时间信息的参考信号8。从属装置6粗略地将从属发射器26的时间和频率设置为所接收的参考信号8的时间和频率，然后生成并发送从属信号4。从属发射器26将指示发送时间的时间信息包括在从属信号4中，在这个阶段，该时间信息相对于所接收的参考信号8被粗略地对准。从属信号4还包括向参考装置10以及任何其他接收装置通知从属装置6处于初始对准模式的数据。

阶段2：从属信号与参考信号的精细频率对准

从属接收器24接收如由反馈环42指示的从属信号4，以及参考信号8，按照它们各自的载波相位、prn码和数据分量在单独的信道中解释这些信号，并测量这些信号之间的频率差。然后，从属cpu30按从测量的频率差得到的量来调整受控振荡器28的频率。在优选实施例中，测量的频率差为积分载波相位(icp)差的形式，并且从属cpu30将接收器24内的两个信号的icp测量结果归零，然后接合闭合icp控制环，该闭合icp控制环连续地对受控振荡器28施加校正，以将icp差维持为零，从而将从属信号4的频率锁定到参考信号8的频率。

阶段3：镜像模式

一旦从属信号4与参考信号8精细地频率对准，就可以对从各个信号的载波相位、prn码和数据分量导出的时间信息进行滤波和测量。从属cpu30计算第一时间差，该第一时间差是从属信号4和参考信号8中的相应时间信息之间的时间差，然后按照计算的第一时间差来调整其信号4的生成。优选地，从属cpu30调整其信号4的生成，以便使从属信号4和参考信号8中的相应时间信息之间的差最小化。即，优选按与计算的第一时间差相等的量来调整从属信号4的生成，以便使发送的从属信号4与接收的参考信号8载波相位、prn码和数据对齐。在该调整之后，从属信号4将与参考装置时基仅有至今未知的参考信号传播延迟的时间偏移。于是，包括在调整后的从属信号4中的时间信息将与从属装置6接收的参考信号8中的时间信息基本相同。在这个阶段，从属信号4实质上是参考信号8的主动反射，具有与接收的参考信号相同的载波相位、码相位和数据分量中的广播时间信息，但是具有唯一的prn码和数据分量。从属装置6随后广播它正在以所谓的“镜像模式”隐喻地(metaphorically)反射参考信号，并且等待来自参考装置10的进一步信息。

阶段4：参考信号传播延迟的计算和广播

参考接收器16接收调整后的从属信号4，以及如由反馈环44表示的参考信号8，然后按照它们各自的载波相位、prn码和数据分量在分开的信道中解释从属信号和参考信号。参考cpu18确认从属装置6处于镜像模式，然后计算第二时间差，该第二时间差是从属信号4和参考信号8中的相应时间信息之间的时间差。由于调整后的从属信号4中的时间信息对应于由从属装置6接收并“反射”回到参考装置的原始参考信号8的发送时间，因此参考cpu18可以将该第二时间差解释为参考装置10和从属装置6之间的信号的往返传播延迟。在优选实施例中，参考cpu18将适当的缩放因子应用于计算的第二时间差，以获得参考信号传播延迟的测量，并将该信息发送给从属装置6，优选地作为参考信号8的数据分量的一部分发送给从属装置6。对于对称信号路径的情况，应用于计算的第二时间差的缩放通常涉及除以大约为2的因子，或者相当于乘以大约为1/2的因子，因为参考信号传播延迟预计为往返传播延迟的一半。在备选实施例中，参考装置10将计算的第二时间差发送给从属装置6，从属装置6随后应用适当的缩放因子以获得参考信号传播延迟的测量。一般来说，参考装置10测量第二时间差，即往返传播延迟，或与之相关的量，并将其发送给从属装置6，从而使从属装置6能够获得参考信号传播延迟的测量。

阶段5：参考信号传播延迟的校正

一旦从属装置6接收到从参考装置10发送的第二时间差或相关量，并且获得参考信号传播延迟的测量，它就重新进入对准模式，并将参考信号传播延迟的测量作为进一步的调整应用于其受控振荡器28，从而使从属信号4与参考装置时基同步。换句话说，将从属信号4的生成提前测得的参考信号传播延迟，以与参考装置时基对准，从而有效地将参考装置时基传递给从属装置6。

从属装置6随后更新从属信号4的数据分量，以指示已经实现与参考装置时基的同步。视野范围内的其他从属装置可以继续使用从属信号4来使它们的信号与参考装置时基同步。在优选实施例中，通过重复上述同步过程，可以“菊花链式”进行参考装置时基的该中继，使得现在充当参考装置的从属装置6不需要向后续的从属装置广播其位置。在某些实施例中，为了交叉检查的目的，同步的从属装置6将所确定的参考信号传播延迟包括在它自己的信号4的数据分量中。

在某些实施例中，通过在指定的时间段内对受控振荡器28施加频率偏移来调整从属信号的生成，这使从属信号4在时间方面摆动。在其他实施例中，通过在指定的时间段内向从属发射器26的prn码发生器施加时钟偏移来调整从属信号的生成，这使从属信号4在时间方面摆动。如果使用闭合的icp控制环将从属信号4的频率锁定到参考信号8的频率，那么优选地暂时打开该控制环，以便将频率偏移施加到受控振荡器28。在已使受控振荡器28的频率偏移之后，从属cpu30优选地重新接合闭合的icp控制环，以维持从属信号4的调整。

图2的流程图中总结了一种用于使从属装置的信号与参考装置的时基同步的方法。在步骤46，参考装置按照参考装置时基，生成并发送参考信号，该参考信号包含指示参考信号的发送时间的第一时间信息。在步骤48，从属装置接收并解释参考信号，随后在步骤50，从属装置生成并发送从属信号，该从属信号包含指示从属信号的发送时间的第二时间信息。在步骤52，从属装置接收并解释从属信号。在步骤54，从属装置计算第一时间信息和第二时间信息之间的第一时间差，然后在步骤56，从属装置按照第一时间差，调整从属信号的生成，从而调整从属信号和第二时间信息。在步骤58，参考装置在分开的信道中接收并解释参考信号和调整后的从属信号，然后在步骤60，参考装置计算第一时间信息和调整后的第二时间信息之间的第二时间差。在步骤62，参考装置发送计算的第二时间差或与之相关的量。在步骤64，从属装置接收计算的第二时间差或相关量，并由此获得参考信号的传播延迟的测量。最后在步骤66，从属装置按照传播延迟测量来调整从属信号的生成，从而使从属信号与参考装置时基同步。在优选实施例中，在步骤62，参考装置发送计算的第二时间差，在步骤64，从属装置通过将第二时间差除以大约为2的缩放因子，获得参考信号传播延迟的测量。

优选地，选择在步骤56由从属装置6应用于从属信号的生成的调整，以通过使发送的从属信号4与接收的参考信号8载波相位、prn码和数据对准，来使第一时间信息和第二时间信息之间的差最小化。这样做时，从属装置6实质上忽略了参考信号传播延迟的影响。然而，从属装置6也可以对其信号的生成应用不同的调整，只要该调整被传达给参考装置10。例如，从属装置6可以选择应用对参考信号传播延迟的估计，以便例如实现初始粗同步，在这种情况下，参考装置10所计算的第二时间差是由该传播延迟估计中的不准确性引起的时间残差或同步误差的测量。假定参考信号8和从属信号4的信号路径是对称的，则参考信号传播延迟的误差可被认为是该值的一半。

在其中目标仅仅是确定信号8从参考装置10到从属装置4的传播延迟的备选实施例中，在图2的流程图中描述的方法可在步骤60之后终止。

参考图1，在图2中总结的同步过程中的非常有利的是反馈环42、44，反馈环42、44使从属装置6和参考装置10均能够通过同一电路接收并解释从属信号4和参考信号8。优选地，在每个装置内，基本上同时接收并解释从属信号4和参考信号8。注意，从属信号和参考信号一般将按tdma方案从相应装置发射，应当理解的是不同信号的“基本上同时的”接收和解释将取决于tdma方案的细节。共模误差(比如振荡器漂移、温度或电压引起的延迟变化)以及与参考或从属装置电子器件关联的接收器线路偏置在求差过程中被消除，这代表比起用于确定往返传播延迟的已知测距方法的显著进步，消除了通常可以是许多纳秒、或者甚至微秒的硬件误差源。有利的是，同步过程只需要从属装置6和参考装置10之间的信号的单次交换，从而对它们各自信号的数据分量施加最小的负载。环路42、44所需的反馈可通过tx/rx开关40、38处的不完全端口隔离来方便地提供，典型的rftx/rx开关或者诸如rf环行器之类的其他信号路由组件的30～40db端口隔离通常在发射器26、16正在发送信号4、8时，提供足够的信号强度返回到相应的接收器24、14。

在相应的tx/rx开关38、40和天线34、36之间的电缆长度72、74在参考装置10和从属装置6之间的信号交换中也是共模的。因此tx/rx开关38、40的位置不是关键的。例如，它们可以如图1所示那样邻近天线34、36，或者如图3所示那样邻近参考装置10或从属装置6的发射器、接收器和其他组件。

倘若如前所述，从属信号4的频率被锁定到了参考信号8的频率，则从属装置信号4与参考装置时基的同步可以在长时间内非常稳定，不受从属装置电子器件中的硬件漂移的影响。然而，通常与温度、压力和相对湿度的变化关联的对流层延迟的变化可能导致从属装置6漂离准确的同步。特别地，对流层延迟的变化将逐渐影响在从属装置6接收的参考信号8的相位，随后影响时间。从属装置的icp控制环将跟随该相位变化，其不良结果是受控振荡器28相对于参考振荡器20的漂移。随着时间的推移，这将导致同步的劣化，因为从属信号4的定时偏离参考装置时基。环境变化也可以影响多径，例如通过地面的水分含量的变化，从而同样影响在从属装置接收的参考信号8的相位。

为了减轻传播参考信号时与环境相关的变化对从属信号4与参考装置时基的同步的影响，在某些实施例中，在从属装置已经声明与参考装置时基同步之后，参考装置10继续监视从属装置6。为此，参考接收器16继续接收并解释输入的从属信号4和输出的参考信号8。在优选实施例中，参考装置10连续或周期性地测量参考信号8和从属信号4之间的相位差或时间差，并通过参考信号8的数据分量、或者一些其他通信链路(未图示)周期性地将相位校正或时间校正发送给从属装置6。参考装置10测量的任何相位差或时间差将是“往返”传播延迟残差，通常等于所需校正的两倍，假定信号路径对称。除以2可以由参考装置10或从属装置6进行。由于对流层延迟通常仅仅逐渐变化，一般在几分钟或数十分钟的时间尺度上，因此参考装置10只需要偶尔(例如每分钟或每十分钟)提供相位校正或时间校正。当然，可以更频繁地(例如每秒)提供校正，但受限于数据链路的约束。如果参考装置10可以例如从处于相同位置的气象站获得本地气象数据，那么它可以选择在例如温度、压力或相对湿度改变预定量时测量并提供相位校正或时间校正。在备选实施例中，参考装置10还可以测量参考信号8和从属信号4的其他性质(比如频率)之间的差异，并发送适当的校正。

一旦从属装置6从参考装置10接收到相位校正或时间校正，它就可以应用这些校正来维持或改善从属信号4与参考装置的时基的同步。由于对流层或其他环境变化通常是逐渐的，因此预计任何一个校正都较小，从而必要的调整优选地直接应用到集成载波相位(icp)控制环中。

在给定参考装置10与多个从属装置6通信或者跟踪它们的网络中，参考装置10通常将包括与相位校正或时间校正关联的相关从属装置6的装置标识。

为了同步图7中示意性描述的定位网络68，应当理解的是可以在指定的参考装置10和多个“从属”定位单元装置6-1、6-2中的一个或多个之间进行上述同步过程，而不需要任何装置知道或广播它们的位置。漫游位置接收器70随后可使用已知的扩频技术，基于从同步的“从属”定位单元装置6-1、6-2接收的信号4-1、4-2，可能还有来自参考装置10的信号8，来计算位置解。这些计算要求漫游位置接收器70知道它从其接收信号4-1、4-2、8的装置6-1、6-2、10的位置。在例如参考装置10或“从属”定位单元装置6-1、6-2的位置被分类的情况下，这可以通过用相关装置的位置对授权的漫游位置接收器70预先编程来实现。

固定线路实施例

图1描述了其中从属装置6可以在事先不知道来自参考装置的信号8的传播延迟的情况下使从属信号4与参考装置10的时基同步的无线设备。这种同步过程及其消除诸如硬件延迟变化之类的共模误差的求差计算也非常适合于经由未知或不准确已知长度的固定线路的信号传输。固定线路例如可以包括同轴电缆或者光纤链路。固定线路优于无线的一个优点是消除了多径。第二个优点是时基可被传递到无论出于何种原因而不能可靠地接收无线信号的位置。光纤链路的一个特殊优点是在跨国或者甚至跨大陆的距离上时基同步的可能性，例如以使广泛分离的定位网络与公共时基同步。

图3以示意形式描述了对于通过固定线路78的传输的情况，适合于使第二、从属装置6的信号4与第一、参考装置10的时基同步的设备76。在某些实施例中，固定线路78包含同轴电缆，其中参考装置10和从属装置6的发射器14、26和接收器16、24被选择为在适当的rf频带中工作。一般而言，在同轴电缆中，较低的频率具有较低的传播损耗，从而将适合于较长距离上的信号的同步。

在其他实施例中，固定线路78包含光纤，优选地单模光纤，虽然多模光纤可能适合于相对较短的距离。使用电信级单模光纤在1550纳米左右操作通常允许传输距离高达80或100km而无需放大。对于较长的距离，固定线路78可以包括一个或多个放大器，在优选实施例中，所述放大器是完全双向的，以确保每个方向上的对称信号路径。每个发射器14、26例如可以包含rf发射器和rf到光(e→o)转换器的组合。或者，发射器可以包含直接调制、或者通过诸如电光调制器之类的外部调制器调制的半导体激光器。优选地，两个发射器14、26发射波长近似相同的光，以确保对称传播，注意，信号沿光纤的传播速度通常随波长而变化。如果波长显著不同，那么可以使用光纤的色散特性的知识在一定程度上补偿由此产生的传播不对称性。在某些实施例中，接收器16、24均包含光到rf(o→e)转换器和rf接收器的组合，而在其他实施例中，接收器包含与适当的信号处理电子器件结合的快速光电二极管。

无论固定线路78的形式如何，其长度通常是未知的，至少就纳秒级的信号或装置的同步所需的准确性来说是未知的。例如，2米长的折射率为～1.5的光纤对应于10ns。这类似于如上参考图1所述的在未知距离12上的无线传输的情况。为了解决这个问题，上述同步过程可以应用于固定线路链路，具有相同的频率对准、主动反射、往返传播延迟测量和时间对准的一般步骤。

图3中所示的参考装置10和从属装置6均包含将装置连接到固定线路78的rf或光开关80、82。这些开关以与图1中所示的tx/rx开关38、40类似的方式动作，选择参考装置或从属装置是以发送模式还是接收模式工作，并且具有提供反馈环44、42的不完全端口隔离。适当的rf开关包括固态半导体开关。本领域已知具有一定范围的开关速度的几种类型的光开关，包括光-机械开关、电-光开关、声-光开关和基于全内反射的开关。在其他实施例中，有源rf或光开关80、82由诸如rf混合正交耦合器或光环行器之类的无源组件来代替。无论哪种方式，参考装置和从属装置中的每一个都可以如前所述那样接收并解释参考信号8和从属信号4两者。

在上面参考图1说明的具有无线信号的实施例中，解释了在从属装置声明同步之后，参考装置10可以如何继续监视从属装置6，以校正例如由对流层延迟的变化引起的从属受控振荡器28的漂移。类似地，环境变化(特别是温度变化)对固定线路的影响将改变通过固定线路78在从属装置6处接收的参考信号8的相位，从而随后改变时间。例如，温度变化可以影响固定线路的长度和信号沿该线路的传播速度。所产生的漂移可以用基本相同的监测过程来校正。在优选实施例中，参考装置10连续或定期地测量参考信号8和从属信号4之间的相位差或时间差，并定期地向从属装置6发送相位校正或时间校正。如前所述，从属装置6然后可以应用任何接收的相位校正或时间校正来维持或提高其信号4与参考装置的时基的同步。

与前述无线实施例一样，一旦从属装置已经与参考装置的时基同步，它就可以将该时基级联或中继到一个或多个另外的或二级从属装置。图4以示意性形式表示了具有1×2分路器84形式的附加组件的从属装置6，1×2分路器84使沿着固定线路78从参考装置10接收的时基能够经由另一固定线路78a级联到二级从属装置6a。在这个实施例中，一级从属信号4成为新的参考信号8a，并且一级从属装置6从二级从属装置6a接收信号4a。1×2分路器84优选是无源组件而不是有源开关，使得一级从属装置6可以同时而不是顺序地向参考装置10和二级从属装置6a发送信号4和8a。

一般而言，一旦一级从属装置6声明了与参考装置10同步，二级从属装置6a就应只利用信号8a。替换地或者另外地，一级从属装置6可以含有在cpu30的控制下的隔离开关86，以防止在一级从属装置声明同步之前沿着固定线路78a的信号传输。优选地，任何这样的可选组件应当在信号路径中是对称的，以便是共模的。

在备选实施例中，例如通过用1×n分路器替换1×2分路器84，或者通过使用级联的1×2分路器，经由与参考装置的同步而获得的时基被传播到多个二级从属装置。用于在rf域或光域中工作的n为各种值的1×n分路器在本领域中是已知的。不可避免地，与1×n分路关联的功率损耗将限制能够从给定的一级从属装置接收时基的二级从属装置的数量，除非信号被放大，优选地对于路径对称使用双向放大器放大信号。

图5以示意性形式描绘了图3中所示的固定线路设备的变型，其中通过诸如单模光纤之类的固定线路78从参考装置10传递到从属装置6的时基可以无线地传播到远离参考装置的任意数量的其他装置88。在这个实施例中，该设备还包括操作上与从属装置6关联的发射器92，用于广播与第二从属时基同步的第三信号94。通常，参考装置时基已被传递到从属装置，这种情况下，第三信号94也将与参考时基同步。在某些实施例中，发射器92通过链路90在操作上与从属装置6关联，链路90可以是例如同轴电缆或数据电缆，从属装置通过该链路提供例如频率参考(比如10mhz参考信号)，加上秒脉冲(pps)和时间信息。因而，从属装置6以与上面关于图1所述的可选的外部频率参考22类似的方式动作。

提高名义同步的准确性

按照本发明的另一个方面，并再次参考图1，从属装置6和参考装置10之间的信号的交换被用于提高在us7,616,682中描述的同步过程的准确性。特别地，它允许参考装置10检测并发送对于时间残差或同步误差的校正，所述时间残差或同步误差由从属装置6使用的关于参考信号8的传播延迟的不准确假定的先验值引起。可以回想起在现有技术中，从属装置通过将装置间距离12除以光速来计算参考信号传播延迟。从而，误差可能由假定的距离的不准确性引起，例如由于多径或勘测误差，或者由假定的信号速度的不准确性引起，例如由于对流层延迟。

在本发明的这个方面，假设从属装置6已经使用参考信号传播延迟的假设值或名义值，通过在us7,616,682中陈述的过程，使其信号4名义上与参考装置10的时基同步。该名义值可以具有更高或更低的准确性，例如是从根据勘测的装置天线位置或近似地图坐标获得的装置间距离12的值导出的。然而，任何不准确性都将导致从属信号4和参考装置时基之间的、在从属装置已遵循“名义”同步过程之后仍然存在的时间残差或同步误差。一旦识别或确定了该时间残差或同步误差，就可以对其进行校正或补偿，从而提高同步的准确性。

为此，参考装置10的cpu18配置有用于监视从属信号4的非临时性机器可读程序代码。类似于前述实施例的阶段4，参考装置10接收名义上同步的从属信号4，以及参考信号8，如由在tx/rx开关38或者一些其他形式的选择性信号路由组件处的不完全隔离启用的反馈环44所表示的那样，并且在其接收器16中对信号8、4进行采样，以便在参考cpu18中进行解释。参考cpu测量参考信号8和从属信号4的载波相位、prn和数据分量中的一个或多个之间的时间差。从属信号4和参考装置时基之间的时间残差可以从该测量的时间差来计算。如果从属装置6已经广播其位置，或者将其关于参考信号传播延迟的名义值包括在其信号4中，或者以其他方式传达该名义值，那么参考装置10可通过从测量的时间差中减去名义传播延迟并将结果除以适当的缩放因子来确定时间残差，当从属信号4和参考信号8经过对称路径时，该缩放因子通常近似等于2。参考装置10然后可以广播时间残差，通常通过将时间残差包括在其信号8的数据分量中。在其他实施例中，参考装置10广播测量的时间差，从而允许从属装置6或另一个接收装置计算时间残差。在另外的其他实施例中，所述计算由这两个设备分担。例如，参考装置10可以广播时间差减去传播延迟结果，并且允许从属装置6应用适当的缩放因子。一旦从属装置6已经接收或计算了时间残差，它就可以相应地调整其信号4的生成，类似于前述实施例的阶段5，从而提高与参考装置时基的同步的准确性。在某些实施例中，信号的交换被重复一次或多次，例如直到时间残差低于预定阈值为止。

图6的流程图中概述了一种用于一旦从属装置利用参考信号传播延迟的名义值使其信号名义上同步于参考装置时基，就识别从属装置信号和参考装置的时基之间的时间残差的方法。附加的可选步骤示于虚线框中。在步骤100，参考装置在单独的信道中接收并解释参考信号和名义上同步的从属信号，并且在步骤102，参考装置测量接收的参考信号和接收的名义上同步的从属信号之间的时间差。注意，可以从测量的时间差计算时间残差，在步骤104，参考装置发送测量的时间差或与之相关的量。这使接收装置能够校正或补偿时间残差。在优选实施例中，在步骤106，从属装置接收测量的时间差或相关量，随后在步骤108，利用测量的时间差或相关量来调整其信号的生成，从而改善其信号与参考装置时基的同步。在其他实施例中，参考装置10发送的所测量的时间差或相关量被另一从属装置用于在进行它自己的同步过程时补偿时间残差。在其他实施例中，参考图7，在位置解算中使用来自不完全同步的“从属”定位单元装置6-1的信号4-1时，测量的时间差或相关量可被漫游位置接收器70用于补偿时间残差。

尽管通过图1中所示的基于无线的配置，说明了图6中概述的用于识别时间残差的方法，不过该方法也适用于例如如图3中所示的参考装置10和从属装置6通过固定线路通信的配置。在这种情况下，信号的交换可以识别例如由从属装置对固定线路78的长度或信号沿固定线路的传播速度的不完全了解而引起的时间残差。

在某些实施例中，从属装置6例如在其信号4的数据分量中广播它处于“名义上同步”状态，同时等待来自参考装置10的进一步信息。在从属装置6已利用从参考装置10接收的信息调整其信号4的生成之后，从属装置6可以声明同步。从属信号4随后可以被寻求加入网络的其他装置使用，或者被漫游位置接收器使用来计算位置解。

在给定参考装置10与多个“从属”定位单元装置6通信或跟踪多个“从属”定位单元装置6的定位网络中，参考装置10通常将包括具有测量的时间差或相关量的相关“从属”定位单元装置6的装置标识。

如前述实施例中一样，参考装置10可以在从属装置6声明同步之后继续监视从属装置6，以校正从属信号4相对于参考装置时基的漂移，该漂移例如可能由环境变化(例如，无线传输的对流层延迟的变化，或者温度诱发的固定线路传输的链路长度或信号传播速度的变化)引起。例如，参考装置10可以连续或定期地测量参考信号8和从属信号4之间的相位差或时间差，并定期将相位或时间校正发送给从属装置6。从属装置随后可以通过使用任意前述技术，应用这些相位或时间校正来调整从属信号4的生成。

尽管参考具体例子说明了本发明，不过，本领域的技术人员会理解本发明可以以许多其他形式来体现。