CN103293512B

CN103293512B - 使用本地波传播模型定位

Info

Publication number: CN103293512B
Application number: CN201310067795.3A
Authority: CN
Inventors: C·马歇尔
Original assignee: U Blox AG
Current assignee: U Blox AG
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: US9035827B2; JP2013181988A; JP6526373B2; US20130229303A1; EP2634593B1; CN103293512A; EP2634593A1

Abstract

本发明涉及使用本地波传播模型定位。本发明公开了通过观测具有已知结构的发送信号来辅助计算接收器装置（1200）的位置的方法和装置。所述方法包括：比较（S220）所述信号的第一部分在参考位置（X₁）处的到达时间与所述信号的第二部分在未知位置（Y₁）处的所述接收器的到达时间；获得（S230）所述信号的本地波传播模型，所述模型包括所述信号在所述参考位置的附近和所述未知位置的附近中的传播方向的估值；以及使用（S240）所述传播方向和所述比较的结果，以辅助相对于所述参考位置计算所述未知位置。

Description

使用本地波传播模型定位

技术领域

本发明涉及用于通过观测本地环境中可用的信号来确定（或促进确定）接收器装置的位置的方法和装置。这些信号不一定用于提供定位功能。在本领域中，这样的信号有时被称为“机会信号”（“SoOp”）。其尤其与当卫星接收较弱或不可用时辅助卫星定位接收器确定其位置相关联。

背景技术

已知SoOp用于定位的用途。然而，在现有系统中，预先精确地获知发送器的地点，或者必须如该方法的部分那样精确地估算出发送器的地点。进而接收装置的位置的估算精确度受已知的或估算的发送器地点的精确度影响。此外，在多种情况下，定位系统的有效性取决于获得（和维护）精确发送器地点的数据库。

WO2011/042726公开了一种这样的方法的示例。当移动接收器在第一已知的位置时，通过记录该已知的位置与本地时间（在该本地时间处，自位于一已知位置处的地面无线电信号发送器接收第一码字实例）来建立虚拟参考。当移动接收器在第二未知的位置时，本地时钟用来确定虚拟定位参考预测接收到第二码字实例的时间与移动接收器实际接收到该第二码字实例的时间之间的时间差。这使得接收器计算其在该未知位置时距发送器的距离。通过使用该第一已知的位置作为虚拟参考，不需要确定i）发送器与某任意的计时参考（例如，UTC）之间的偏差，或者ii）接收器与该某任意的计时参考之间的偏差。相反，发送器-接收器计时关系通过在发送器与接收器装置之间的已知距离处的参考测量而直接确定。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种通过观测发送的具有已知结构的信号来辅助计算接收器装置的位置的方法，所述方法包括：

比较所述信号的第一部分在参考位置处的到达时间与所述信号的第二部分在未知位置处的接收器的到达时间；

获得所述信号的本地波传播模型，所述模型包括所述信号在所述参考位置的附近和所述未知位置的附近中的传播方向的估值；以及

使用所述传播方向和所述比较的结果，以辅助相对于所述参考位置计算所述未知位置。

本发明人已经认识到，对发送器地点的了解的依赖是使用机会信号进行定位的重大的实际障碍。首先，其限制可用于定位的信号的数量（由于只有当信号可以被识别并且与已知的发送器地点相关联时，才可以使用所述信号）。这使得需要扩展发送器及其相应地点的数据库。甚至当信号为可识别的并且可获得明确的发送器地点时，发送器地点的任何误差将使未知位置的计算产生误差。此外，当相对于发送器的已知的实际地点计算接收器的位置时，所述信号在从发送器到接收器装置这段距离中传播时所发生的任何反射或其他的行进速度失真和行进方向失真将引起系统误差。这是因为该计算假设发送器和接收器之间为直（直线）路径并且实际行进路径由于反射而可以较长。类似地，信号的失真或减速可以不可预测地改变飞行时间。例如，根据信号行进时所经过的介质的性质，信号可以以不同的速度传播。因此，在海水中传播的速度可以与在陆地上的传播速度不同。

本发明人还认识到，对已知的发送器地点的依赖性可以通过使用波传播的本地模型而避免。该模型仅描述信号在所关注的本地附近区域中如何行进。因此，本方法允许使用SoOp而无需精确地知道或精确地估算发送器地点。在位置计算中仅需要使用本地参考位置。因此，不精确地报告的发送器地点不会导致误差。此外，在该定位方法中可以成功地使用反射信号，条件是反射信号的传播在关注的附近区域中为一致的。

发送器的位置可以是未知的。此外，优选地，在不参考发送器的位置（甚至当可明确地获得发送器的位置时）的情况下，计算所述未知位置。

应该注意，辅助相对于参考位置计算未知位置的步骤可包括计算参考位置和未知位置所处的位置的轮廓或轨迹之间的沿着波传播方向的距离。例如，如果信号被建模为平面波（由信号的传播方向表征），则辅助计算未知位置可包括计算平行于该传播方向的位移。

本地波传播模型表征信号如何在参考位置和未知位置的附近区域中传播。通常，本地传播方向（和速度）可以与或可以不与通过发送器的直视线所建模的传播方向（和速度）相同（例如，由于障碍物或介质（所述信号在该介质中行进）（例如，陆地或水）变化所导致的反射或衍射）。

可以确定传播方向而无需参考信号所起源的发送器的位置。

换句话说：波传播模型中所用的传播方向不必与自发送器开始的直线方向相同。这是因为在实际世界中，任何给定位置处的传播方向可能与发送器和该给定位置之间的直线方向不同。在实际世界中，信号并不总是从发送器沿着直视线传播。例如，传播方向可以通过由障碍物引起的衍射或反射而改变。

本方法的实施方式面对这样的障碍物的影响可以为稳健的，这是因为传播方向不基于自发送器的直线传播模型。反之，优选地，传播方向是基于信号的本地观测（也就是说，参考位置的附近的测量）而确定的，且与精确的发送器地点的了解无关。

因此，在一些实施方式中，在所述方法中所用的传播方向不同于信号所起源的发送器与本地附近区域（参考位置的附近和未知位置的附近）之间的直线方向。在此处，“不同”是指在两个方向之间的角度差优选地大于5°，更优选地大于15°。

通常，第一信号部分和第二信号部分可以是信号的同一部分或不同的部分。如果它们为信号的同一部分，则在参考位置和未知位置处，信号可以通过物理硬件的不同部件接收。如果它们为信号的不同的部分，则它们可以通过不同的装置接收，或者通过从一个位置移动到另一个位置的单个接收器接收。

本地波传播模型描述信号的波前在本地附近区域中如何表现或演化。该模型表征形成信号的无线电波如何在参考位置的区域中传播。在此处，“波前”是指信号(的各部分)同时到达的位置的轨迹。对于二维定位，该轨迹将为线（直线或曲线）。在三维中，该轨迹将为表面或壳体（同样，平面或凸面）。

仅需要对“本地”波前（也就是说，在用作参考点的位置的附近的波前）建模。这将为该附近区域中的位置确定提供足够的精确性。应该注意，可以在所述附近区域内的唯一位置处建立或限定本地传播模型。然而，通常，这应该与在未知位置的估算中所用的参考位置相同不是必须的。另一意图是，本地波传播模型应当不仅仅表征信号在唯一的点处的演变而应当表征信号在有限的本地区域（也就是说，整个附近区域（期望在该附近区域内估算位置））中的演变。

在应当可以确定信号的不同部分的发送的相对时间这个意义上来讲，应当知道在该方法中所用的信号的结构。可以在接收到信号的各个部分之前或之后，做出该确定。例如，如果信号包括具有已知的重复周期的规则的重复结构，则可以提前做出确定（预测）。实际上，很多类型的信号的结构可以从技术标准得知。然而，也可通过在充分长的间隔中观测该信号，来使接收器知道重复结构，其中，接收器研究信号的结构–例如，研究该信号或其内容的可识别的周期性或重复性。在其他情况下，可以在接收之后进行确定。例如，一些机会信号可以包括明确的时间戳，该时间戳指示信号的对应部分被发送时的时刻（在发送器处确定）。在该情况下，可以通过对信号的时间戳解码并比较所述时间戳来确定信号的不同部分的发送的相对时间。在所有的情况中，假设发送器中的时钟在所涉及的时间表期间相当精确或相当稳定。发送器时钟的不准确性可以影响位置计算的准确性（除非该不精确性本身可以可靠地表征）。

在一些实施方式中，比较到达时间包括测量它们之间的第一时间差。

可能没有必要确定信号的各个部分的绝对计时–也就是说，可能没有必要根据某种时钟记录其到达时间的时间戳（例如，UTC时间戳）。在一些情况下，可以通过以下步骤来测量所述第一时间差：记录信号的第一部分的到达时间（通过时钟来测量）；记录第二部分的到达时间（通过同一时钟或另一同步的时钟来测量）；以及用一个时间戳减去另一个时间戳。然而，这不是必须的。在其他情况下，所述第一时间差可以通过当第一部分到达时启动计时器并且当第二部分到达时停止计时器而测量。例如，这可包括对消逝的时钟周期的个数进行计数。通常，期望用于测量时间差的部件为精确的或稳定的。差值测量的任何误差可导致后面的位置计算存在误差。

在另外的其他实施方式中，到达时间之间的比较可以为隐式的。例如，该比较可包括对具有一个或多个方程式的方程组求解，其中，到达时间为变量。

在各个实施方式中，该比较可以通过任何方便的计时部件和参考坐标系所确定的到达时间之间进行。例如，该比较可以通过接收器装置上的时钟来测量，或者通过从锁定到UTC的GNSS卫星所接收的信号的卫星计时所指示。

应该注意，尽管上文总结的该方法的目的是相对于参考位置估算未知位置，但随后实际报告的该位置坐标可以使用不同的参考坐标系。也就是说，相对于参考位置估算的位置可以为用于相对于某其他基准计算位置的中间变量。该另外的步骤依赖于知道上文所限定的参考位置和该其他基准之间的关系。

根据本发明的有关方面，提供了一种通过观测所发送的具有已知结构的信号来辅助计算接收器装置的位置的方法，所述方法包括：

测量所述信号的第一部分在参考位置处的第一到达时间；

测量所述信号的第二部分在未知位置处的所述接收器的第二到达时间；

使用传播方向、所测量的第一到达时间和所测量的第二到达时间以辅助相对于所述参考位置计算所述未知位置。

辅助计算未知位置的步骤可选地包括比较所述第一到达时间和所述第二到达时间（更具体地，计算它们之间的差值）。可替选地或者此外，所述步骤可包括对一个或多个方程式求解，在这些方程式中，第一到达时间和第二到达时间为已知的变量。这可包括第一到达时间和第二到达时间的隐式比较。

获得信号的传播方向的步骤可选地包括：所述信号的第三部分在所述第一位置处的到达时间与所述信号的第四部分在第二不同位置处的到达时间之间的第二比较，其中，已知这两个位置之间的位移向量；以及基于所述位移向量和所述第二比较的结果估算所述信号的到达方向。

比较第三部分的到达时间和第四部分的到达时间可包括测量这些事件之间的第二时间差。替选地，其可涉及隐式比较，其中，对一个或多个方程式求解，所述方程式包括这些到达时间（作为变量）。

这提供了一种有利的方式以测量信号在附近区域中的传播方向，而无需另外的设备或另外的在外部提供的信息。

优选地，第一位置和第二位置为已知的。这允许信号的到达方向被估算为绝对项。然而，即使第一位置和第二位置在任何外部参考坐标系中为未知的，但仍然可以相对于第一位置和第二位置之间的位移向量估算所述信号的到达方向。在仅需要相对于第一位置和第二位置（未位于外部坐标系中）确定未知位置的应用中，这可以是有用的。

应该注意，所有的第一信号部分、第二信号部分、第三信号部分和第四信号部分可以为相同的或不同的部分并且可以使用相同的或不同的硬件接收。可选地，第一位置或第二位置可以为参考位置。

在一些实施方式中，估算到达方向可包括估算与所观测的到达时间一致的两个或更多个假设（可能的到达方向）。

所述方法还可包括：相应地在所述信号的第五部分在第三位置处的到达时间与所述第三部分在所述第一位置处的到达时间或所述信号的第五部分在第三位置处的到达时间与所述第四部分在所述第二位置处的到达时间之间进行第三比较，其中，所述第三位置与所述第一位置和所述第二位置中的相应的一个位置之间的位移向量是已知的；以及基于所述第二比较的结果和所述第三比较的结果和所述第一位置、所述第二位置与所述第三位置之间的相对位移，进行下列中的至少一个：（i）估算所述本地波传播模型的曲率参数；（ii）解决关于到达方向的多个假设中的哪一个假设是正确的；（iii）细化关于到达方向的单个假设。

通过比较所述信号的三个部分在三个不同的地点上的到达时间，可以获得另外的信息。在一些实施方式中，这可以包括不仅估算波传播方向，并且估算波前的曲率参数。这可以允许构建更精确的波传播模型，其可以实现更精确地定位计算。第一位置、第二位置和第三位置应该为不同的。优选地，它们不是共线的，使得它们形成非零面积的三角形。在其他实施方式中，另外的测量可以用来解决非单值性。例如，如果仅使用在第一位置和第二位置的观测估算波的传播方向，且其他的信息不可用，则正确的方向可能为关于连接第一位置和第二位置的直线对称的两个方向中的任一个方向。在第三位置处的测量可以解决该非单值性（条件是第三位置与第一位置和第二位置是非共线的）。在另外的其他实施方式中，方向估值的精确性可以通过考虑另外的测量-例如通过平均技术或曲线拟合技术而提高。

如上文关于第一比较和第二比较，可以通过测量或计算时间差显式地进行第三比较，或者可以通过对出现变量的一个或多个方程式求解而隐式地执行第三比较。

可替选地，获得所述信号的传播方向的所述步骤包括：获得所述信号的发送器的地点的估值；获得在所述参考位置的附近和所述未知位置的附近的位置的估值；比较所估算的发送器地点与所估算的所述附近的位置；以及基于所述比较的结果估算所述信号的传播方向。

在此处，假定从发送器地点到关注的附近的向量描述信号在附近中的传播方向。对于自由空间中的未中断（无反射）的发送而言，该假设为有效的。

该方法可以使用已知的发送器地点的数据库来建立发送器地点。然而，应该注意，这仅用来推导信号在接收器的本地附近区域中的传播方向。未知位置的计算在很大程度上保持独立于发送器地点。具体地，该计算与发送器与未知地点和/或参考地点之间的距离无关。这意味着，定位精确性不受发送器地点沿着传播向量的误差的影响，而仅受到正交方向上的误差的微弱影响。定位精确性与从发送器到接收器的本地附近区域的实际的行进速度和飞行时间无关，这是因为发送器不被用作参考位置。用于位置信息的参考点仍是从其确定信号的计时的（附近的）位置。

作为另一替选，获得信号的传播方向的步骤可包括：获得在参考位置的附近和未知位置的附近的位置的估值，访问描述多个位置的数据库，其中，数据库描述针对这些位置中的每个位置的信号的传播方向；以及从数据库检索针对估算的附近的位置的信号的传播方向。

在该方法中，代替利用对发送器地点的了解，使用数据库，该数据库描述来自发送器的信号经过一系列地点的传播方向。这可以更精确，这是因为在任何给定地点处的实际观测到的传播方向可以偏离放射状射线传播的简单线性模型。这可以由于障碍、反射、散射、衍射或任何其他的传播影响而发生。到达方向的数据库可以容纳这些真实观测到的变化，而与发送器地点的数据库不同。

辅助计算所述未知位置的步骤优选地包括：基于第一时间差，相对于参考位置确定位置轨迹，未知位置位于该轨迹中。

位置的轨迹可以描述直线（根据波传播模型的假设，为直线或曲线），所述未知位置沿着该直线定位。该线可垂直于所有点处的信号的传播方向。也就是说，位置的轨迹可平行于信号的本地波前。因此，该线为信号同时到达的位置的轨迹。

所述方法还可包括组合所确定的位置轨迹与另外的数据，所述另外的数据包括下列中的一个或多个：从全球导航卫星信号的测量推断的位置信息；从另外的发送的具有已知结构的信号的测量推断的位置信息；和来自惯性定位系统的信息。

通常，来自单个机会信号的测量将不足以允许计算唯一的位置。然而，该测量可以与其他可用的位置信息源组合，以便计算唯一的位置（在本领域中也被称为“位置坐标”）。

一种可能性是使用GNSS信号。尽管太少的卫星信号可以在未知位置可用而无法计算完整的位置坐标，但那些被成功接收的卫星信号可用来补充从机会信号获取的位置信息（或被从机会信号获取的位置信息补充）。

出于相同的目的，另一可能性为使用至少一个另外的机会信号。优选地，该另外的信号的接收方向与具有已知结构的第一发送信号的接收方向不同。这两个信号的独立性应当允许在二维（2D）平面上计算位置。

另一种可能性为惯性定位系统。这样的系统可以提供相对位移的指示，例如，通过测量加速引起的力。更优选地，可以的话，惯性定位系统将通过可靠的位置估值（诸如来自GNSS接收器）被校正。

可以组合使用这些示例中的任两个（或更多个）示例，以提供另外的定位信息源，该另外的定位信息源可以与机会信号的观测组合。

例如，通过自所有可用的信息进行推测，可以执行组合步骤。例如，当本发明与GNSS接收器一起使用时，在失去卫星接收之前，将通常可以使用位置坐标历史。在简单的示例中，可以从该历史得到装置的最后已知的位置和行进方向。随后可以通过该向量与由SoOp的测量建立的位置轨迹的交点而估计所述装置的位置。在更先进的实施方式中，通过将待组合的信息作为输入提供至卡尔曼滤波器来执行推断。卡尔曼滤波器作为组合观测的部件对于本领域的技术人员而言是众所周知的。

通常，来自（i）GNSS信号、（ii）一个或多个机会信号、（iii）惯性定位系统或（iv）任何其他源的信息可以作为轨迹-历史的部分并入该推测法中或者作为用来基于该历史确定推断的新位置的观测并入该推测法中。

本地波传播可以通过直线来建模。

在二维中，波前可以近似为直线。在距发送器有相对远的距离的情况下、对于小本地区域的操作或者在近似的位置估值充分的情况下，这可以特别地适合。

就线性模型而言，参数包括与参考位置相关联的方向（到达角度）和计时。该计时可以通过上文所述的第一比较充分地确定，该第一比较也就是说，在参考位置处的信号的计时与未知位置处的信号的计时之间的明确的或隐含的差值。应该注意，该模型可包括一些非单值性：例如，对于信号而言，可以有两个或更多个可能的传播方向。可选地，这样的非单值性可以通过另外的参考地点（如上文已经汇总的）处的信号的另外的测量或者发送器地点估值（不一定精确）而解决。

可替选地，本地波传播可以通过曲线建模并且该模型可包括曲率参数，其中，曲率参数用在辅助计算未知位置的步骤中。

例如，波前或位置解算的轨迹可以被建模成圆弧（或者抛物线的一部分或其他曲线模型）。如果发送器被视为在一系列角度中进行发射的点源，尤其是更靠近发送器时，这可以更精确。通常，在相对位移已知的多于两个的位置处进行测量将有必要估算曲线型波前的参数。

参考位置优选地为已知的，更优选地是已使用卫星定位系统确定的。

如果参考位置在某外部坐标系统或绝对坐标系统（例如，经度和纬度）中为已知的，则未知位置也可以在该参考坐标系中确定。

全球导航卫星系统（GNSS），例如，全球定位系统（GPS），可以提供精确的空间参考位置。其还可以提供精确的计时参考，可用于测量信号的部分到达不同地点之间的时间差。使用卫星定位以提供参考位置还可以补充本发明的位置计算方法，这是因为，当卫星接收不可用时，先前通过卫星定位建立的参考位置可以用在根据本发明的方法中以确定绝对位置。

有利地，该方法还可以包括：测量和/或比较所述信号的另外的部分在另外的位置处的一个或多个到达时间，以及使用这些测量或比较的结果以用于以下情况中的一个或多个：（i）通过对测量求均值增大精确性或稳健性；（ii）解决信号的传播方向的非单值性；（iii）估算用于波传播模型的曲率参数；以及（iv）估算信号的发送器的计时漂移（计时漂移/时钟漂移）。

根据所用的波传播模型、来自其他源的可用的信息、关于信号和其发送器的假设，可以以不同的方式使用另外的测量。通常，问题是基于其他已知的变量计算一些未知的变量。这些变量包括波前的传播方向和曲率、在上文已经讨论的各个时间差以及发送器的计时漂移。通常，如果存在比未知数多的观测（测量），则可以求解联立方程组。然而，超过该最小需求的另外的“多余的”测量也是期望的，以产生超定方程组并且由此增大该方法的稳健性和精确性。

这样的一个示例可包括：信号的第六部分在第四位置处的到达时间与所述信号的第七部分在第五位置处的到达时间之间进行第四比较，其中，这两个位置之间的位移向量相对于信号的传播方向为已知的；以及基于第四比较的结果估算发送器的计时漂移。

具体地，该示例可包括：测量所述信号的第六部分到达第四位置处与所述信号的第七部分到达第五位置处之间的第四时间差；基于信号的已知结构和位移向量，计算这两个到达之间的预计的时间差；比较所述预计的时间差与所测量的第四时间差；以及基于该比较的结果估算发送器的计时漂移。

通过该方式，一个或多个另外的测量用来确定发送器的计时漂移。一些地面发送器可以与诸如UTC的可靠的参考精确地同步。然而，其他发送器不精确地同步。具体地，在发送器处的时钟可以运行得快或慢。这意味着，确定接收器的位置所依赖的信号结构可以由发送器发送得比预计的快或慢。如果没有补偿，则这将误差引入计算的几何图形中。因此，通过比较信号的不同部分的预计到达时间与它们的实际到达时间，可以有利于估算发送器的计时漂移。两个测量可以用来估算发送器处的时钟速率（其确定信号自其在接收器端的预计计时的漂移速率）。另外的测量可以用于估计较高阶的误差–例如，发送器时钟是加速还是减慢并且以何种速率。在理论上，发送器的时钟速率的建模越好，则可以得到越好的位置估值。

应该注意，第四位置和第五位置可以为相同的–也就是说，两个测量可以在不同的时间在相同的地点进行。在该情况下，很容易预测信号的第六部分和第七部分之间的预计时间差，这是因为其仅取决于信号的结构。如果第四位置和第五位置为不同的，则它们之间的位置差异（位移向量）将改动预料的到达时间。

应该注意，第四位置和第五位置中的至少一个位置可以为参考位置。同样，第四位置和第五位置之一可以与第一位置或第二位置（用来计算信号的传播方向）或第三位置（用来计算信号波前的曲率）相同。然而，第四位置和第五位置中的至少一个位置必须不同于第一位置和第二位置，以便能够计算到达方向和计时漂移。如果希望一起计算方向、曲率和计时漂移，则需要在（至少）四个不同的位置处进行测量。

优选地，该方法包括通过求解联立方程来共同确定计时漂移和信号的到达方向。

通常，在该方法中使用的机会信号优选地应该具有稳定的计时或者至少以可预测方式变化的计时。更具体地，信号应该在进行测量的时间表期间显示出可预测的计时。发送器计时的不可预测的变化将导致位置计算有误差。

信号的适当的示例包括（但不限于）地面数码视频广播（DVB-T）信号和基于码分多址（CDMA）的第二代或第三（或更高）代蜂窝通信基站信号。用于这些服务的发送器显示出持续精确的计时。在该方法中所用的信号的发送器优选地为地面发送器。发送器可具有固定的地点，或者至少其地点在进行测量和位置计算的间隔中可以是静态的。

优选地，至少在两个已知的位置处检测信号的部分的到达。这允许使用线性模型估算波的传播方向（尽管关于两个方向中的哪个方向被观测仍存在非单值性）。更优选地，检测至少在三个地点处的信号的部分的到达。使用传播的线性模型，这可使（1）解决上文提到的非单值性；（2）估算波传播的曲线型模型的参数；或者（3）估算传播方向和发送器的计时漂移。更优选地，至少在四个地点处进行测量。这可使一起估算曲线型波传播模型的参数与发送器的计时漂移。

根据本发明的一方面，还提供了一种计算机程序，该计算机程序包括计算机程序码部件，当所述程序在计算机上运行时，所述计算机程序码部件适用于执行前述权利要求中任一项的所有步骤。该计算机程序可适用于在运行时控制一个或多个接收器装置以执行所述方法的步骤。还提供了在计算机可读介质上体现的这样的计算机程序。

根据本发明的另一方面，提供了一种便携式电子装置，所述便携式电子装置可操作以通过观测具有已知结构的发送信号来推断关于所述装置的位置的信息，所述装置包括：

接收器，所述接收器可操作以

在参考位置处接收所述信号的第一部分，以及

在未知位置处接收所述信号的第二部分；以及

处理器，所述处理器适用于：

比较两个接收事件的计时；

获得所述信号的本地波传播模型，所述模型包括所述信号在所述参考位置的附近和未知位置的附近中的传播方向的估值；以及

所述便携式电子装置优选地还包括卫星定位接收器，其中，所述卫星定位接收器适用于在卫星接收强时确定所述参考位置，以及所述处理器适用于在卫星接收弱时使用所述传播方向和所述比较的结果以辅助计算所述未知位置。

附图说明

现将结合附图通过示例描述本发明，其中：

图1示出根据本发明的第一实施方式的使用波传播的线性模型增强位置估算的方法；

图2为第一实施方式的方法的流程图；

图3示出根据第二实施方式的使用曲线型波前模型增强位置估算的方法；

图4示出根据本发明的实施方式的获得信号的传播方向的第一方法，该方法使用在不同的地点处的计时测量，并示出使用线性模型和仅两个测量点所产生的非单值性；

图5为图4的方法的流程图；

图6示出使用波前的曲线型模型获得本地波传播模型的第二方法；

图7示出使用发送器地点的估值获得传播方向的第三方法；

图8为第三方法的流程图；

图9为示出使用方向的数据库获得传播方向的第四方法的流程图；

图10示出通过障碍物反射的信号；

图11示出根据一个实施方式的估算信号的发送器的计时漂移的方法；以及

图12为根据本发明的实施方式的导航装置的框图。

具体实施方式

现将结合图1和图2描述根据本发明的第一示例性实施方式的方法。图1为定位方法的几何学略图。该图为地理区域的平面图。假设该区域为平坦的，因此所有有效的地点在水平面上共面。也就是说，在该简单的示例中将不考虑高度。图2为该方法的流程图。

需要相对于参考位置X₁计算未知位置Y₁。图1的略图示出通过远距离的发送器（未示出）发送的机会信号的波前120。由于波前120距发送器有较大的距离，故波前120被建模为直线（在2D中）。波前指示出信号同时到达的位置的轨迹。传播方向由箭头150标出。在线性模型下，波沿着垂直于波前的方向传播。该信号具有规则的重复结构，其中，该信号的可识别部分（诸如同步符号或码字）以固定的周期发送。信号的该重复同步部分的观测可以用来推断关于接收器装置的位置的信息。在该示例中，接收器装置140为包括GPS接收器和用于地面的机会信号的独立接收器的导航装置。在X₁处示出接收器装置140a并且在Y₁处示出其虚线轮廓140b。

在步骤S200中，当接收器位于参考位置X₁时，接收器检测信号的同步部分的第一实例的到达。此时，该装置能够使用GPS计算其位置和当前时间，由此提供已知的参考位置X₁。接收器使用GPS提供的时间戳记录该信号的部分的到达时间。该接收器还具有内部时钟。假定该时钟相当精确。当GPS定位可用时，其被校准为GPS卫星时间。当GPS定位不可用时，该时钟可相对于GPS时间缓慢地漂移。然而，该漂移的幅度可以在关注的间隔（例如，数分钟）中假定为忽略不计。优选地，内部时钟的时间、时钟速率和漂移速率（速率变化）例如通过传统的技术对照GPS时间校准。例如，这可以包括补偿温度变化或其他因素。应该注意，该校准可以完全独立于机会信号的任何测量。

记录的到达X₁的该时间用t₁表示。该装置随后移动到未知位置Y₁，在该位置处卫星定位失效。Y₁可以处于密集的城市环境中、在树叶下或在建筑物内。同样地，由于GPS卫星信号受到意外或恶意干扰，因此卫星定位可能失效。该接收器仍然能够检测地面的机会信号。在步骤S210中，进一步测量信号的同步部分的第二实例到达Y₁的时间，将该时间记作t_Y。仅使用内部时钟确定该时间，这是因为GPS定位为不可用的。然而，由于最新校准是对照GPS时间进行的，因此假定（如上文所述）该时钟中的计时漂移可忽略不计（或者在某种程度上为可预测的并且因此可以补偿）。相对于在参考位置X₁处的测量，平行于信号传播方向150所行进的距离由下式给出：

Δd=c.[(t_Y-t₁)-(s_Y-s₁)-(z_Y-z₁)] （1）

在此处，c为光速（构成该信号的无线电波的传播速度）；并且s_y为发送器发送该接收器在Y₁处检测到的信号的同步部分的时间。同样，s₁为接收器在X₁处检测到的信号部分的发送时间。发送时间s1和sY为通过发送器的时钟确定的时间。该时钟相对于接收器的时钟的计时偏差通过值z给出。

如果f₁和f_Y分别为在X₁处和Y₁处接收到的同步部分的帧序号并且帧周期（连续的同步部分之间的间隔）为h，则距离方程式（1）可以写成：

Δd=c.[(t_Y-t₁)-(1+u).h.(f_Y-f₁)] （2）

在此处，u为发送器每单位时间相对于接收器中的时钟的计时漂移—无量纲量。此处假定线性漂移：Z_y-Z₁=u.h.(f_y-f₁)。计时漂移u假定为已知或者假定为零。在该示例中，信号结构参数h、f_Y、f₁也是已知的并且帧间隔h假定为常数。在每一同步部分中可以明确指出帧序号。可替选地，接收器可以对在参考位置X₁处的观测与在未知位置Y₁处的观测之间所观测到的帧个数进行计数。这允许通过计算信号的同步部分的相应实例的到达时间之间的时间差t_Y-t₁（步骤S220）；乘以光速c且校正发送时间的差异来计算平行于波传播方向150所行进的距离Δd。因此，未知地点Y₁必须位于沿着虚线160（其平行于波前并且垂直于传播方向150）的某个位置上。在步骤S230中获得传播方向。获得该方向的适当的示例性方式随后将在下文具体描述。

知道未知位置Y₁位于该直线上可以用来帮助计算位置（步骤S240）。例如，如果能够足够强地接收到至少一个GPS卫星信号以允许测量伪距，则该信息可以用来确定Y₁位于直线160上的何处。可替选地，可以针对另一机会信号执行上文所述的方法。也就是说，当接收器在位置X₁中和位置Y₁中时，可以进行第二机会信号的相应测量。这将产生另一线性轨迹，类似于直线160。两个直线的交点提供了Y₁的位置。应该注意，另一机会信号（或卫星信号）应该在与方向150不同的方向上传播，否则位置Y₁将保持不确定。可希望测量另外的信号，如果可获得这些另外的信号的话。尽管严格来说对于求出唯一位置而言这些另外的信号不是必须的，但它们可以增强稳健性和准确性-例如，通过允许确定平均位置。该方法可以被视为类似于卫星定位中已知的技术，在该已知技术中，使用大于绝对最小数目的卫星信号。

在上文给出的简单示例中，接收器从已知参考位置X₁移动到未知位置Y₁。该基本方法可以有多个变型。不必一定知道参考位置X₁的绝对地理坐标（例如，借助GPS定位）。如果位置X₁是未知的，仍可使用该方法来相对于X₁推断位置Y₁。相对定位在很多应用（例如，在很多测量任务中）中可以是有用的或者足够的。

也不必一定由单个接收器进行X₁处和Y₁处的计时观测。可替选地，这可以由共享观测的不同的接收器来执行。为了实现这一点，所述不同的接收器应当共享共用的计时参考。在两个分别包括GPS接收器的导航装置的情况下，只要这两个GPS接收器相对于GPS卫星时间进行测量，则这将是可行的。应该注意，如果两个不同的装置被用来进行观测，则通过这两个装置所观测到的信号的同步部分通常可以是同步部分的相同实例或不同实例。

当计算距发送器的距离大的位置时，在图1中作为示例示出的波传播的线性模型是适合的。在此处，通过引用，“大”可以体现为区域（期望在该区域中计算位置）。因此，与X₁距发送器的距离和Y₁距发送器的距离相比，当X₁和Y₁之间的距离较小时，线性模型更精确。具体地，误差可取决于沿着（即，平行于）波前120的距离。通常，在距发送器的任何距离处，可以使用线性模型；然而，当平行于波前的位移与距发送器的放射距离相当时，该模型的简化假设引入的误差将更明显。

图3为根据本发明的第二实施方式的当使用曲线型波前模型时进行的位置计算的几何学略图。再一次，在X₁处示出接收器装置340a并且在Y₁处示出其虚线轮廓340b。在此处，来自发送器的信号被建模为在二维平面中根据惠更斯原理传播。在图3中示出的特定情况下，信号按照外扩圆传播。波前320的曲率由曲率半径表征。在沿着波前的不同位置处，传播方向350a到传播方向350c是不同的。因此，在参考位置X₁的附近的波传播模型包括在该位置处的传播方向350b和曲率半径。随后将更详细地描述用于估算曲率半径的适合的方法。

用于该模型的方法步骤和计算类似于上文针对第一实施方式描述的方法步骤和计算。然而，与第一实施方式不同，未知位置Y₁所沿着定位的位置轨迹为平行于波前320的曲线360。由于距离Δd，该曲线的曲率半径大于波前320的曲率半径。通常，通过针对沿着波前的每一点计算波前320的法向量并且对于所有点而言使波前沿着相应的方向传播相同的距离Δd来求得该轨迹360。对于曲线型波前320为圆弧的特定情况，该方法将产生为较大圆弧的轨迹360。

在该方法的变型中，曲线型波前可以根据简化的假设传播。具体地，波前320的传播可以被建模为相同形状沿着方向350b平移Δd。也就是说，该波前未扩展，但是被假定成仅在空间中转移（平移）。就位置Y₁刚好沿着与X₁成直线的方向350b定位的程度而言，该简化的方法仍准确。然而，Y₁越偏离该中心位置，引入的误差就越大。但该简化的假设仍可在很多实际应用中产生可以接受的结果。

图4示出为本发明的实施方式确定波传播方向的第一示例性方法。图4为示出导航装置440所做的两组测量的几何图形的略图。再一次，在X₁处示出装置440a并且在Y₁处示出其虚线轮廓440b。图5为描述该方法的流程图。在步骤S500中，其中接收器在已知位置X₁处，接收器测量SoOp的同步部分的第一实例的到达时间t₁。接收器随后移动到第二已知位置X₂并且，在步骤S510中，接收器测量该信号的同步部分的第二实例的到达时间t₂。使用GPS确定位置X₁和位置X₂。同样，时间t₁和时间t₂是根据GPS卫星时间测量的并且因此为精确的参考。在步骤S520中计算两个到达时间之间的差值。上文的方程式（2）可以用来基于该时间差确定X₁和X₂之间沿着传播方向的相对距离Δd。X₁和X₂之间的距离D也是已知的（因为这两个位置是已知的）。因此，在步骤S530中，可以通过公式θ=arcsinΔd/D来计算位移向量X₁X₂（在图4中为虚线）和波前421或波前422之间的角度θ。这提供了波前的取向，并且波451或波452到达X₁和X₂的方向垂直于该波前的方向。

如图4中所示，该计算未提供唯一的传播方向。在图4中，假设相比于X₂，波到达X₁处相对较早。也就是说，X₁离发送器较近。然而，在已知角度θ的情况下，根据发送器位于参考位置X₁和参考位置X₂的南边还是北边，也就是说，根据发送器位于虚线的哪一侧，传播方向可以为451或452。该非单值性可以通过该同步部分的第三实例到达设置为不与X₁X₂共线的已知位置的时间的第三测量来解决。可替选地，可以近似地知道发送器地点，使得清楚发送器位于虚线的哪一侧。

在上文的描述中，假定位置X₁和位置X₂是已知的（以绝对项的形式）。这将允许明确地确定波前的到达方向（也就是说，在X₁的附近和X₂的附近的传播方向）。也就是说，该结果将为绝对的传播方位角，例如，罗盘方位角。然而，如果仅需要相对定位，则不需要知道X₁和X₂的绝对位置。反之，将需要知道X₁和X₂之间的相对位移向量。这将允许相对于位移向量来计算传播角度。

图4示出可以如何确定信号的传播方向。接着可以在方法（诸如上文结合图1与图2描述的方法）中使用该传播方向以计算未知位置Y₁。图4中的第一位置X₁和第二位置X₂中的任一个位置可以方便地用作计算Y₁的参考位置。

图6示出使用波前的曲线模型获得本地波传播模型的第二方法。位置X₃位于波前650上。还示出在X₃处波前650的切线670。期望确定该切线670与直线X₁X₃之间的角度θ。这将使用导航装置640的SoOp接收器进行的观测来完成。在X₁处示出接收器装置640a并且在Y₁处示出其虚线轮廓640b。接收器测量三个帧f₁、f₂、f₃的同步部分到达三个地点X₁、X₂和X₃的时间t₁、t₂和t₃。假定接收器具有精确的时钟，且通过GPS确定地点和时间。

基站分别在时间s₁、s₂和s₃处发送帧f₁、f₂和f₃，所述时间是由发送器时钟所测量的。发送器时钟具有小的漂移u，这引起发送器时钟所进行的时间测量相对于导航装置中的时间测量有相应的偏差。这些偏差用z₁、z₂和z₃表示。所发送的信号（SoOp）具有帧时间间隔h。发送器620的地点为V并且是未知的。

测量了信号的同步部分的不同实例的到达时间之后，下一步骤为计算它们之间的时间差值。该步骤类似于图5的步骤S520。

关于帧f_i的测量，半径r_i（也就是说，距发送器的放射距离）通过以下公式给出：

r_i=c.(t_i-(s_i+z_i))

因此，相对于最后点X₃处的测量，

m=r₃–r₁=c.((t₃–t₁)–(s₃–s₁)–(z₃–z₁))

以及

n=r₃–r₂=c.((t₃–t₂)–(s₃–s₂)–(z₃–z₁))

帧i和帧j的发送之间的时间间隔为

s_j–s_i=h.(f_j–f_i)

（如上文，假定相同的帧周期）以及在帧i和帧j的发送之间的发送器漂移为

z_j–z_i=u.(s_j–s_i)=u.h.(f_j–f_i)

这得出

m=c.[(t₃–t₁)–(1+u).h.(f₃–f₁)] （3）

n=c.[(t₃–t₂)–(1+u).h.(f₃–f₂)] （4）

三个参考位置X₁、X₂和X₃的几何关系如下。从X₁到X₃的距离用p表示；从X₁到X₂的距离用a表示；以及从X₂到X₃的距离用b表示。然后，将确定角度角度是在直线X₁X₃和放射线VX₃之间形成的角度。角度通过以下关系式关联于θ：

因此，计算出将能够计算出θ。为了求出未知数为直线X₁X₃与直线X₂X₃之间的角度α以及从发送器到X₃的放射距离r₃。

分别从三角形X₁X₂X₃、三角形VX₁X₃与三角形VX₂X₃，可以看出：

a²=b²+p²–2.bp.cos(α) （6）

第一个方程式能够无难度地计算出α。对于一般情况，展开并且处理第二个方程式与第三个方程式得出：

因此，

这得出以下方程式，其中仅未知：

存在一些条件，例如，b>n，且p>m。观测位置X₁、X₂和X₃应该优选地均匀地分布–尤其是，它们不应该位于自发送器开始的共用的放射线上。如果它们位于共用的放射线上，则上述方程式则不能被确定；然而，通过一组简化的方程式仍然可以解决该问题。然而，总体上，通常将期望确保三个点不共线，这是因为共线的点可以导致到达方向具有非单值性（如上文，见图4）–除了它们恰好在源自于发送器的放射线上共线之外。

为了简化，假设稳定的发射振荡器，存在可忽略不计的振荡器漂移，u=0，并且从计时测量方程式（3）和计时测量方程式（4）得出对应的距离n和m。基于已知的位置X₁、X₂和X₃，直接地获知距离a、b和p，并且从方程式（6）获知角度α，其表征通过观测形成的三角形的形状。方程式(7)将接着给出现将更详细地描述该计算。

方程式（7）给出

定义

A.cos(γ)=[b/(b²–n²)].cos(α)–[p/(p²–m²)]

A.sin(γ)=[b/(b²–n²)].sin(α) （8）

从而

A²={[b/(b²–n²)].cos(α)–[p/(p²–m²)]}²+{[b/(b²–n²)].sin(α)}² （9）

和

因此，利用从方程式（9）得到的A和从方程式（8）得到的γ，可以使用方程式（10）来确定应该注意，A和γ仅为方便的中间变量以促进求解方程式。

最后，方程式（5）给出在X₃处的波前的角度θ。角度θ表示在X₃处相对于直线X₁X₃的传播方向。由于在该示例中位置X₁和X₃为已知的，故将θ转变成绝对方位角（例如，罗盘方位角）意义不大。

尽管在上述计算中假设确定地知道X₁、X₂和X₃（也就是说，它们的绝对地理坐标是可得到的），但即使当仅知道这些位置的相对关系时，也可以执行相同的计算。这允许相对于三角形X₁X₂X₃确定角度θ，该角度θ描述在X₃处的波传播方向。从而，随后可以相对于该本地参照坐标系计算未知位置。

图6已说明了对于信号传播的曲线模型可以如何估算参数。该模型从而可用来估算在X₁、X₂和X₃附近的未知位置。可以使用图1或图3中所示的方法执行该估算。具体地，尽管在图6中利用曲线模型表征波传播，但图1的线性模型仍然可以用来计算未知位置Y1。为了做到这一点，将图6的波前650的切线670看作用于图1的线性模型的波前150。图6中的位置X₃（针对该位置，估算波前的角度θ）用作图1中的参考位置X₁。同样，对于图3的较复杂的模型，图6中的位置X₃和角度θ用来提供图3中的参考位置X₁和方向350b。在该参考位置处的曲率半径为r₃。

图7示出利用对发送器地点的估算来获得传播方向的第三方法。假设知道发送器720的近似位置在地点V处。便携式装置740的参考位置X₁也是已知的（例如，来自GPS）。希望使用X₁作为图1或图3中示出的方法的参考位置。因此期望知道信号在X₁处的传播方向。这可通过比较已知位置V和X₁并计算从V到X₁的方位而容易地确定。该传播方向被看作波传播方向（假设没有反射）。该方向足以表征波前754的线性模型。如果需要曲线型波前756（例如，对于图3中所示的方法），则通过使用已知位置V和X₁之间的距离可以估算曲率半径。

图8为结合图7所使用的方法的流程图。在步骤S800中，获得发送器地点估值V。在该示例中，基于所接收的信号的内容识别发送器。多种类型的发送器发送适合于这种识别的识别码。使用所确定的身份，从发送器地点的数据库中找出该发送器的地点。在步骤S810中，获得参考位置。在该优选的示例中，参考位置与用于使用本地波传播模型进行定位计算的参考位置X₁（图1和图3）相同。然而，这不是必须的。也可以使用在同样的附近地带中的另一位置，且对模型的准确性具有最小的损害作用。在步骤S820中，比较这两个位置。在步骤S830中，基于该比较的结果，确定传播方向，该传播方向为从V到X₁的方位。

应该注意，尽管发送器地点用来推导波传播参数，但在位置计算中将不再使用该发送器地点。如上文所解释的，将仅相对于已知的参考位置X₁计算未知位置Y₁。产生的优点为，位置计算受发送器地点估算值的误差的影响较小。对比来说，如果要相对于发送器地点V计算未知位置Y₁，则发送器地点估值的任何误差会在Y₁的位置计算中完全再现。当使用图1和图3示出的方法中的波传播模型时，位置V的误差对波的传播方向（和可选地曲率半径）的估算具有非常小的影响。具体地，传播方向将仅受位置V的垂直于射线VX₁的误差的影响。这样的误差对估算的角度的影响将非常小，条件是X₁与V距离非常远（实际中将通常是这种情况）。此外，角度的小误差对于X₁附近处的位置的计算将具有甚至更小的影响。未知位置Y₁距离X₁越近，误差将越小。因此，与相对于已知的发送器地点确定位置的现有技术的定位方法相比，本发明的方法减弱了发送器地点的误差的影响。

现将结合图9的流程图描述获得传播方向的第四方法。假设已经确定SoOp的发送器的身份。如上文所述，这可以通过研究发送内容而完成。

在步骤S900中，获得在关注的附近地区中的已知参考位置。优选地，其与将用于定位计算的参考位置X₁相同（见图1和图3），但是同样可以使用另一附近位置且该位置几乎不具有不利影响。然后，在步骤S910中，使用发送器身份和参考位置作为密钥访问数据库。数据库存储来自发送器的信号到达多个地点中的每个地点的方向。例如，对于位于笛卡儿坐标（0，0）处的发送器，其信号到达二维网格中的多个位置的方向可以如表1所示。将角度提供为罗盘方位角，以正北为0°且顺时针计算。

表1：示例性的到达方向数据库

(0,0)	X=1	X=2	X=3
				Y=1	135°	117°	108°
Y=2	153°	135°	124°
				Y=3	161°	146°	135°

在该表中的方位角是基于发送器的直视线计算的。因此，表1中的数据给出了与上文的第三方法完全相同的结果，在第三方法中，比较发送器地点和参考地点并且计算方位角。然而，一般而言，使用数据库是更加通用的。尤其是，环境可能更复杂并且信号可能不会从发送器沿着直线传播至接收器。数据库可以包括到达每个地点的角度的预测的偏差或测量的偏差。例如，在接收到信号的反射形式的区域中，该反射形式到达的角度可以描述在数据库中。

在步骤S920中，从数据库检索与特定的发送器和特定的参考位置关联的恰当的传播方向。该传播方向可以在图1所示的方法中使用。在一些其他实施方式中，数据库还可以存储波传播模型在各个位置处的曲率参数。例如，这可以包括曲率半径。这可以用于利用波传播的曲线模型进行定位，如上文结合图3所述的。

图10示出信号自障碍物发生反射所引起的方向改变。来自位置U处的发送器1020的信号由建筑物1000反射。与此同时，在位置X₁、X₂和X₃处，信号的直接接收被其他建筑物1010阻挡。该反射的效果如同一“虚拟”发送器位于在图像位置V处一样。根据本发明的各个方面的定位方法不受这样的反射的影响，这是因为为了确定未知位置，它们不依赖于对发送器地点的了解。相反，它们仅依赖于对来自发送器的信号的本地传播（和至少一个本地参考位置）的了解。

此外，获得传播方向的第一方法、第二方法和第四方法（如上文所述）面对这样的反射能够是稳健的。仅有确定方向的第三方法内在地受反射影响，这是因为其依赖于发射器地点的估值并且假定信号沿直视线传播。

图11示出根据本发明的实施方式估算机会信号的发送器1120的计时漂移的方法。几何图形类似于图6的几何图形。在X₁处示出接收器装置1140a并且在Y₁处示出其虚线轮廓1140b。如果发送器的计时漂移u为未知的，则还需要进一步的观测测量以便估算该计时漂移。通过接收器在位置X₁、X₂、X₃和X₄处对t₁、t₂、t₃和t₄时的帧f₁、f₂、f₃、f₄的四个观测，几何图形可以如图11中所述。

类似于图6，从已知的观测位置X_i的几何图形可以计算变量a_i、p_i和α_i：

a₁ ²=p₁ ²+p₂ ²–2.p₁p₂.cos(α₁)

a₂ ²=p₂ ²+a₃ ²–2.p₂a₃.cos(α₂)

同样，对于计时测量存在三个方程式：

m_i=c.[(t₄–t_i)–(1+u).h.(f₄–f_i)]对于i=1,2,3 (11)

从波前几何图形还得出以下方程式：

这些方程式可以重新整理成：

并且r4可以被消去以得到，

则这两个方程式（12）与计时测量（11）一起足以求出以下两个未知数：和发送器漂移u。如上文所述，通过方程式（5）关联于θ：在此处，θ为传播方向和基线X₁X₃之间的角度。这是一种表征传播方向的方便途径–尤其是在仅知道位置X_i的相对关系时。如果知道位置X_i的绝对地理坐标，则角度θ可以容易地转变为罗盘方位角。

上文描述的示例已经假设位置Xi的坐标（至少相对于彼此）是已知的。例如，该假设对应于通过全球导航卫星系统（GNSS）确定X_i的情形。在其他实施方式中，X_i可以通过惯性定位系统和罗盘来确定。在该情况中，可以获得以位移和角度的形式的相对位置。然而，本领域的技术人员可以理解，对于这种情形，可以求解一组等价的、但不同表示的方程式。

图12为根据本发明的实施方式的便携式电子装置的框图。在该示例中，便携式电子装置为导航装置1200。该装置包括适用于接收机会信号的接收器1210，该接收器联接到相关天线1215。该装置还包括用于执行定位计算的处理单元1220。设置时钟1225，其用于测量机会信号的不同部分的到达时间。处理单元联接到SoOp接收器1210并且接收来自SoOp接收器1210的数据。处理单元1220也联接到GNSS接收器1230并且接收来自GNSS接收器1230的数据。GNSS接收器1230适于借助天线1235接收卫星定位信号并且处理这些信号以计算定位。

更具体地，SoOp接收器1210适于在参考位置X₁处接收机会信号的同步部分的第一实例（步骤S200）并且在未知位置Y₁处接收同步部分的第二实例（步骤S210）。本地时钟1225可操作以测量这两个接收事件之间的第一时间差（步骤S220）。处理单元1220适用于获得该信号的本地波传播模型（步骤S230），该模型至少包括该信号在参考位置X₁的附近和在未知位置Y₁的附近的传播方向的估值。该处理单元还适用于使用传播方向和第一时间差以辅助相对于参考位置计算未知位置（步骤S240）。

导航装置还包括存储器1240和输出装置1250。存储器可以保存发送器身份和位置的数据库。这些发送器身份和位置可以用在估算波传播参数的方法中，如上文参考图7和图8所述的。存储器还可以保存信号到达方向的数据库，类似于上文表1的示例。如上文所述，在估算本地波传播参数的第四方法中，导航装置可以使用该信息。存储器1240还可以存储用于一个或多个地理区域的本地波传播模型。通常，每个本地波传播模型包括至少一个推测的传播方向和该方向所适于的位置或区域的指示。本地模型可以与具体的发送器身份相关联。如果本地波传播模型是曲线型的，则存储器1240还可以存储相关的曲率参数。此外，该模型还可包括与发送器相关联的计时漂移参数，该计时漂移参数也被存储在存储器中。本地波传播模型可以通过任何适合的方法获得，包括上文描述的任一方法。将模型存储在存储器中可允许模型被再利用，使得在每次需要定位时，不需要获得或计算该模型，从而减少导航装置1200中的计算量和/或功耗。

输出装置1250用来将位置信息报告给用户或向该导航装置1200请求该信息的另一电子装置。输出装置1250可包括人机界面（例如，图形显示器）或机器接口（例如，电子总线连接或无线通信链路）。

在上文描述的实施方式中，假设发送器位于地面上并且位于固定的地点。然而，这不是必须的。只要发送器在将使用信号测量的时间段期间为静止的便足够。通常，不必知道发送器地点或发送器计时。

应该在一定程度上知道所接收的信号的结构。具体地，如果信号的部分为各不相同的部分（通常是这种情况），则优选地应当知道它们的相对计时并且相对计时应当稳定（或者至少，相对计时的任何变化是可系统地预测的）。例如，信号的部分（其到达时间被测量）可以为信号的周期性同步符号的不同重复。在该情况下，优选地应当知道同步信号的周期。

信号的用于计时的观测部分例如可以为：信号的发送（其可以为信号脉冲，如在罗兰（Loran）系统中）；连续信号的帧结构（例如，蜂窝系统中的同步字）；或信号的调制（例如，在广播通道上发送的时间信号“嘟嘟声（beeps）”）。然而，可以使用任何其他可预测的并且可以可靠地检测的信号特征，包括但不限于信号前沿、后沿或过零点。

知道单个SoOp的波前模型本身不足以唯一地确定位置。在该情况下，接收器不能确定其沿着波前被定位于何处。可以测量来源于不同的位置的发送器的多个信号以便限制可能性。应该注意，根据几何图形和所作出的测量的数量，对于来自每个发送器的信号-波前而言，可以存在多于一个的推测。在一些情况中（如上文所讨论的），对于给定的信号，在尝试确定该位置之前可以消除该非单值性。在其他情况中，通过简单地对来自不同的发送器的更多数量的信号进行测量，可以解决非单值性。通常，对于每个信号的测量将预示着接收装置的可能位置的特定集合（或轨迹）。这些集合的交集确定实际位置。

如果该系统仅使用地面上的机会信号，则该系统可能仅可以计算二维位置，这是由于发送器的高度范围有限。从而在二维中，信号的到达方向为方位角（罗盘）方向。为此，上文详细描述的各个示例考虑二维平面中的定位。然而，到目前为止，本领域的技术人员将理解本文所描述的技术不限于二维平面的情况。就在平面外具有不同高度的信号源（发送器）可用的情况而言，理论上将可以计算三维中的位置信息（诸如可能的位置的轨迹）。为了实现这一点，与上文的二维示例相比，通常将需要另外的测量和更大数量的信号源。

如上文所述，来自一个或多个SoOp的信息可以与（部分）卫星定位信息组合，使得它们相互补充。使用不同的信息源组合并维持位置坐标序列的一个适当的方法为卡尔曼滤波器。本领域的技术人员将对用于整合不同的定位信息源的这样的技术非常熟悉。对于在GPS覆盖不完全的区域（例如，其中GPS接收器能够测量其相对于一些卫星630、1130的距离，但在短时间段内，可使用的卫星信号过少而无法计算唯一的位置坐标）中追踪用户的可能路径而言，这可以非常有效。

对于本发明，可以看出SoOp方法与GPS的组合特别有利，这是由于这两个系统之间具有协同作用。当GPS接收良好时，GPS接收器产生估算SoOp的本地波前所需的已知位置。当GPS接收不完全时，该装置可以使用所获取的SoOp波前模型来增补GPS。如果GPS接收完全丢失，则该装置可以仅依赖于SoOp（假设已观测到足够的发送器并且所述发送器的波前被建模）。

应该注意，与一个或多个GPS卫星测量相组合还可以允许在三维（例如，包括高度以及纬度与经度）上计算位置。在该情况下，可以根据方位角和海拔（高于水平线或低于水平线的角度）规定SoOp的到达方向。在3D中，对于一个SoOp，位置轨迹（未知位置可以受该位置轨迹约束）为2D壳体（表面）。当使用波前的线性模型时，该表面将为平面；或者当模型化为曲线型波前时，该表面为球形要素。

应该注意，可以以分布方式实现根据本发明的实施方式的方法：在各个参考位置处的测量可以由与接收器装置（其未知位置待确定）不同的装置（或不同的多个装置）来进行。所述装置应该共享共用的计时参考（诸如，GPS）以便在信号的不同部分的到达时间之间做出一致的比较。然而，在一些应用中，单一装置实现可以是优选的，这是由于其不需要多个装置之间的通信和同步。

可替选地或者除了分布式测量之外，一些计算活动可以在不同的装置之间共享。例如，服务器计算机可以辅助客户端装置计算其位置。此外，在使用数据库的情况下，对数据库进行集中存储和/或保持、在装置之间共享数据库或者使用单个接收器的先前观测独立地构建数据库可以是优选的。优选的实现方式将取决于环境，这一点对于本领域的技术人员是明显的。

应该注意，上文描述的方法中的操作的顺序通常是不受限制的。例如，可以在到达未知位置Y₁（期望确定Y₁的位置）之前或之后到达已知的参考位置X₁。同样，可以在到达参考位置或未知位置之前或之后估算或获得波传播模型。一旦已经进行了必要的计时测量并且建立了传播模型（不管次序如何），该信息可以用来在任何后续时间辅助位置计算。因此，例如，不需要在未知位置Y₁的时间和地点处执行位置计算。在已进行了Y₁处的计时测量之后，可以在任何时间执行位置计算，条件是所需的波传播模型和参考位置X₁处的计时测量是可用的。

还应该注意，该方法的步骤可以以多种不同的方式进行时间分布。在上文所述的实施方式中，暗含目的是实时地计算该装置的位置-也就是说，尽可能快地获得足够的信息和信号观测/测量以推出位置信息。然而，在其他实施方式中，该目标可以是追溯性追踪该接收器装置所到达的位置。在卫星定位领域和实时定位领域中，还已知提供一种这样的接收器：该接收器使所接收的卫星信号数字化并且将这些卫星信号存储以用于计算位置坐标的以后处理。这样的接收器有时也称为“存储并且以后处理”接收器或者“采集和处理”接收器。在一个示例中，在RF前端中接收卫星信号，将该卫星信号降频变换至中频（大于或等于0），并且通过模数转换器使其数字化。来自各个可见的卫星的调制信号被保存在样本序列中。以后可以从存储器检索出所述样本并且以与实时接收器相同的方式处理所述样本。

对于本发明，类似的方法也是可行的。也就是说，卫星信号和/或机会信号可以被接收、数字化、存储用于以后处理。实际的处理可以与上文所述的示例相同；然而，是对存储器中的样本序列进行处理，而不是在同一样本序列被接收和数字化后就立即对该样本序列进行处理。这样的系统的优点类似于GNSS采集和处理接收器的优点：降低装置复杂性；减小成本；降低功耗；和/或延长电池寿命。优选地，将样本与本地时钟所产生的时间戳（如果可能，其被校准为卫星时间）一起存储。

在该情况下，获得波传播模型的步骤不必需实时执行，而可以在以后执行（只有在要求时才执行）。例如，每当需要计算未知位置Y₁时，可以从存储器检索出先前存储的在位置W_i处记录的信号样本（连同它们的时间戳）以确定本地波传播模型的参数。用于该方法的参考位置X_i可以为位置W_i（存储该位置W_i的信号样本）的子集。通常，对于一些W_i而言，可能无法计算GPS定位，在该情况中，它们在该方法中可能不可用。

尽管在附图和上文的说明书中已经详细说明和描述了本发明，但这样的说明和描述应该被视为说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。

例如，尽管上文描述了用于确定传播方向（和本地波传播模型的其他参数）的多个示例性方法，但可以在通过其他方法估算传播方向的实施方式中操作本发明。例如，可以使用天线-阵列和罗盘获得信号的到达方向的估算值。本领域的技术人员将非常熟知用于估算无线电信号的到达方向的现有技术算法，例如“多信号分类法（MUSIC）”。一旦已经相对于天线阵列确定到达方向，则可以使用罗盘来将该角度与罗盘方位角关联。

尽管在上文描述中GPS被用作主要的全球导航卫星系统的示例，但可以使用其他的卫星定位系统，包括但不限于GLONASS和Galileo。

通常，接收器不需要将任何信息传送给SoOp的发送器。从这层意义上来说，该方法为被动的：其包括信号观测，但不必与发送器有任何交互。然而，在一些实施方式中，接收器和发送器可双向通信。例如，接收器可以为移动装置并且发送器可以为网络（该移动装置是向该网络订购的）中的基站。本领域的技术人员可以理解，这对于本发明的方法的最普遍的操作形式而言不是必须的。

研究附图、说明书和所附的权利要求书后，本领域技术人员在实施要求保护的本发明中可以理解和实现所公开的实施方式的其他变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”不排除复数形式。单个处理器或其他单元可实现权利要求书中叙述的多个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述了一些措施这一事实并不指示这些措施的组合不能是有利的。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，该合适的介质例如为与其他硬件一起提供或者作为所述其他硬件的部分的光学存储介质或固态介质，但所述计算机程序还可以以其他形式分布，例如借助网络或其他有线或无线通信系统。在权利要求书中的任何附图标记不应该被理解成限制所述范围。

Claims

1.一种通过观测具有已知结构的发送信号对接收器(1210)的位置进行辅助计算的方法，所述方法包括：

比较(S220)所述信号的第一部分在参考位置(X1)处的所述接收器的到达时间与所述信号的第二部分在未知位置(Y1)处的所述接收器的到达时间，

其中，比较到达时间包括以下项中的至少一个：

测量所述信号的第一部分在参考位置(X1)处的所述接收器的到达时间与所述信号的第二部分在未知位置(Y1)处的所述接收器的到达时间之间的第一时间差；以及

对一个或多个方程式的方程组求解，其中到达时间为变量；

获得(S230)所述信号的本地波传播模型，所述模型包括所述信号在所述参考位置的附近和所述未知位置的附近中的传播方向的估值；以及

使用(S240)所述传播方向的所述估值和所述比较的结果，以辅助相对于所述参考位置计算所述未知位置，

其中获得所述本地波传播模型包括：在所述信号的第三部分在第一位置(X1)处的到达时间与所述信号的第四部分在不同的第二位置(X2)处的到达时间之间进行第二比较(S520)，

其中，已知这两个位置之间的位移向量；以及

基于所述位移向量和所述第二比较的结果估算(S530)所述信号的传播方向。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

相应地在所述信号的第五部分在第三位置(X3)处的到达时间与所述第三部分在所述第一位置(X1)处的到达时间或所述信号的第五部分在第三位置(X3)处的到达时间与所述第四部分在所述第二位置(X2)处的到达时间之间进行第三比较，

其中，所述第三位置与所述第一位置和所述第二位置中的相应的一个位置之间的位移向量是已知的；以及

基于所述第二比较的结果和所述第三比较的结果以及所述第一位置、所述第二位置与所述第三位置之间的相对位移，进行下列中的至少一个：

(i)估算所述本地波传播模型的曲率参数；

(ii)解决关于到达方向的多个假设中的哪一个假设是正确的；

(iii)细化关于到达方向的单个假设。

3.一种通过观测具有已知结构的发送信号对接收器(1210)的位置进行辅助计算的方法，所述方法包括：

其中，比较到达时间包括以下项中的至少一个：

对一个或多个方程式的方程组求解，其中到达时间为变量；

其中，获得所述本地波传播模型包括：

获得(S900)所述参考位置的附近和所述未知位置的附近的一位置的估值；

访问(S910)描述多个位置的数据库，其中，所述数据库描述针对所述多个位置中的每个位置的信号的传播方向；以及

从所述数据库检索(S920)针对所述附近的所述位置的所述信号的传播方向。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，辅助计算所述未知位置包括：

基于第一比较的结果，相对于所述参考位置(X1)确定位置的轨迹，未知位置(Y1)位于所述轨迹中。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括组合所确定的位置的轨迹与另外的数据，所述数据包括下列中的一个或多个：

从全球导航卫星信号的测量推断的位置信息；

从另外的具有已知结构的发送信号的测量推断的位置信息；和

来自惯性定位系统的信息。

6.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述本地波传播通过直线(120)建模。

7.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述本地波传播通过曲线(320)建模，其中，在辅助计算所述未知位置的步骤中使用曲率。

8.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述参考位置(X1)为已知的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，使用卫星定位系统确定所述参考位置(X1)。

10.根据权利要求1或3所述的方法，其中，从地面发送器发送所述信号。

11.根据权利要求1或3所述的方法，还包括：

测量和/或比较所述信号的另外的部分在一个或多个另外的位置处的一个或多个到达时间，以及

使用这些测量或比较的结果以用于下列中的一个或多个：

(i)通过对测量求均值来增大精确性或稳健性；

(ii)解决所述信号的传播方向的非单值性；

(iii)估算用于所述波传播模型的曲率参数；和

(iv)估算所述信号的发送器的计时漂移。

12.一种便携式电子装置(1200)，可操作以通过观测具有已知结构的发送信号来推断关于所述便携式电子装置的位置的信息，所述装置包括：

接收器(1210)，所述接收器可操作用于

在参考位置(X1)处接收(S200)所述信号的第一部分，以及

在未知位置(Y1)处接收(S210)所述信号的第二部分；以及处理器(1220)，所述处理器适用于：

比较(S220)这两个接收事件的计时，

其中比较这两个接收事件的计时包括以下项中的至少一个：

测量这两个接收事件的计时之间的第一时间差；以及

对一个或多个方程式的方程组求解，其中接收计时为变量；

获得(S230)所述信号的本地波传播模型，所述模型包括所述信号在所述参考位置的附近和未知位置的附近中的传播方向的估值；以及

以及其中获得所述本地波传播模型包括：

在所述信号的第三部分在第一位置(X1)处的到达时间与所述信号的第四部分在不同的第二位置(X2)处的到达时间之间进行第二比较(S520)，