CN102047137A - 从卫星系统传递精确绝对时间 - Google Patents

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Abstract

本发明根据一个或多个实施例提供了利用卫星系统获得精确绝对时间的系统和方法。该精确绝对时间可以，例如，在衰减的或阻塞的环境中用作包括导航的定位系统的辅助。根据实施例，获得从卫星传递的精确绝对时间的方法包括：从卫星接收精确时间信号，其中精确时间信号包括周期重复的代码；确定代码的定时相位；接收额外的辅助信息；以及利用定时相位和额外的辅助信息确定精确绝对时间。

Description

从卫星系统传递精确绝对时间
技术领域
本发明一般上涉及时间传递，更具体地涉及基于卫星的时间传递和导航技术。
背景技术
由各种现有卫星导航系统提供的现有导航和定时信号常常没有提供令人满意的系统性能。尤其地，这样的导航和定时信号的信号功率、带宽、和几何倍增(geometrical leverage)通常不足以满足许多苛刻的使用方案的需求。
基于全球定位系统(GPS)信号的现有导航和定时方法在许多情况下可能不可用于导航用户。通常，GSP接收器必须接收到至少四个同时的测距源，以允许三维定位和精确的时间传递。然而，GPS信号常常提供不足以容易地穿透城市街谷或建筑的墙壁的低信号功率或几何图形。例如基于蜂窝式电话或电视信号的其他导航方法通常缺乏垂直导航信息。
现有的系统试图通过利用例如惯性导航系统、专用标志、和高灵敏度的GPS系统解决室内导航的不足。然而，惯性导航系统漂移并且昂贵。标志需要昂贵的并且未标准化的专用固定资产、从而仅具有专用效用，并且灵敏的GPS系统常常由于室内环境中GPS信号的弱化而表现不如用户的预期。
发明内容
在一个实施例中，一种用于获得从卫星传递的精确绝对时间的方法，包括：从卫星接收精确时间信号，其中精确时间信号包括周期重复的代码；确定代码的定时相位；接收额外的辅助信息；以及利用定时相位和额外的辅助信息，以确定精确绝对时间。
在另一实施例中，一种在衰减或阻塞环境中进行导航的方法，包括：检测从第一卫星接收的信号的帧结构；将接收器单元的时钟与检测到的帧结构校准；产生根据帧结构分别被分开的多个时间估计，其中至少一个时间估计与第二卫星的信号校准；向接收器单元的系统相关器提供时间估计；根据时间估计校准系统相关器；以及识别与来自第二卫星校准的至少一个时间估计，其中该至少一个时间估计向接收器单元提供成功的辅助信息，并显著改善检测效率。
在另一实施例中，一种适合于在衰减或阻塞环境中使用的接收器单元包括：天线，其适合于从卫星接收精确时间信号并接收额外的辅助信息，其中精确时间信号包括周期重复的代码；处理器；以及存储器，其适合于存储多条计算机可读指令，所述多条计算机可读指令在被执行时适合于使接收器单元：确定代码的定时相位，以及利用定时相位和额外的辅助信息，以确定精确绝对时间。
在另一实施例中，一种适合于在衰减或阻塞环境中使用的接收器单元包括：天线，其适合于从第一卫星接收精确时间信号和从第二卫星接收第二信号，其中精确时间信号包括频带帧结构；处理器；以及存储器，其适合于存储多条计算机可读指令，所述多条计算机可读指令在被执行时适合于使接收器单元：检测第一卫星的帧结构；将接收器单元的内部时钟与第一卫星的帧结构校准；产生根据第一卫星的帧结构分别被分开的多个时间估计，其中至少一个时间估计与来自第二卫星的信号校准；根据时间估计校准接收器单元的系统相关器；以及识别与来自第二卫星的信号校准的至少一个时间估计，使得向接收器单元提供成功的辅助信息。
本发明的范围由权利要求限定。通过以下一个或多个实施例的详细说明的考虑，将向本领域的技术人员提供本发明的实施例的更完全的理解以及本发明附加优点的实现。将对首先简要描述的附图的附页作出参考。
附图简述
图1提供根据本发明的实施例的能够在有遮挡或阻塞的环境中完成的导航系统的概观图。
图1A示出根据本发明的实施例的接收器单元302的功能框图。
图2提供图解根据本发明的实施例从卫星获得精确绝对时间传递的方法的流程图。
图3图解根据本发明的实施例的低地球轨道(LEO)卫星的时间传递结构信号。
图3A示出根据实施例用于确定接收到的卫星信号的代码相位的方法的流程图。
图3B提供图解根据本发明的实施例在衰减或阻塞的环境中进行时间传递和导航的方法的流程图。
图4提供一种根据本发明的实施例使用卫星以提供无线网络站定位的自成导航系统。
图5提供图解根据本发明的实施例通过结合卫星信号和无线网络站信号用于进行地理定位的方法的流程图。
图6提供图解根据本发明的另一实施例通过结合卫星信号和无线网络站信号用于进行地理定位的方法的流程图。
通过以下的详细说明将更透彻地理解本发明的实施例及所述实施例的优点。应意识到的是，相同的附图标记在一个或多个附图中用于识别相同的元件。
具体实施方式
根据在此讨论的各种实施例，采用例如低地球轨道(LEO)卫星的卫星的系统可用于加强例如手机或其他紧凑装置的接收器单元，使得它们甚至可在严重衰减、有遮挡或阻塞的环境中正常运转。根据在此的一个或多个实施例的导航系统可解决当前接收器单元的由从诸如全球定位系统(GPS)卫星的现有源接收的根本上弱的信号引起的问题。
来自例如通信卫星的某些卫星的信号通常比来自诸如GPS的其他现有定位系统的信号强。一种这样的卫星是铱星低地球轨道卫星(LEO)。在一个示例中，构造成利用从例如铱星的LEO卫星接收的信号工作的接收器单元可在接收器单元的天线处利用低于大约45dB的衰减的信号电平工作，然而，GPS配置的接收器单元通常不会以这样的电平工作。通过倍增铱星信号，铱星配置的接收器单元可以大约15-20db操作，低于该大约15-20db，通常的GPS配置的接收器单元将停止工作。
根据各种实施例，这样的包括来自卫星系统的精确时间信号的强力信号可用于确定例如大约1-10微秒的准确度的精确绝对时间。此外，这样的强力信号可与来自诸如蜂窝网络、互联网网络、或WiFi的其他地面设备的信息一起传送至接收器单元。根据一个或多个实施例，来源于卫星信号的精确绝对时间足够精确，以便于校准接收器单元中的系统相关器，聚焦在非常窄的时间周期中。当在有遮挡或阻塞的环境中没有利用精确的时间基准的情况下使用多系统相关器时，在大的时间周期上搜索在计算上使相关过程加重负担，并且接收器单元不能在这样的状态下运行。然而，在具有精确的绝对时间传递(例如具有在大约10微秒内的准确度)的情况下，即使在严重衰减或阻塞的环境中，接收器单元(或用户)也可通过校准接收器单元的系统相关器更好地接收和跟踪来自诸如GPS的定位系统的导航信号。因此，本发明的实施例可在严重衰减或阻塞的环境中辅助GPS或任何其他定位卫星系统。应意识到的是，精确的绝对时间传递还可用于诸如网络同步的其他应用。
现在参考其中显示仅为了图解本发明的实施例、而不是为了限制本发明的附图，图1提供根据本发明的实施例的能够在有遮挡或阻塞的环境中完成的导航系统300的概观图。
如图1的实施例所示，在导航系统300中，接收器单元302(例如蜂窝式电话)构造成从卫星306接收信号309，该信号309可包括来自常规导航卫星的全球定位系统(GPS)信号(例如受保护的和/或无保护的GPS信号)。另外，接收器单元302构造成从可以是低地球轨道(LEO)卫星的卫星304接收信号305。此外，接收器单元302构造成从例如可包括蜂窝网络、互联网网络、WiFi网络、和/或其他网络的网络308接收信号307。从卫星304接收的信号305包括在卫星304上编码的精确时间信号。通过网络308接收的信号307可包括额外的辅助信息，诸如例如与卫星304相关的轨道信息、接收器单元302的近似位置、卫星304与接收器单元302之间的近似范围(例如在大约3000m之内)、近似时间信息(例如在大约5秒之内的时间)、与卫星304相关的定时偏差信息(例如卫星时钟偏差)和/或其他信息。
根据一个或多个实施例，卫星306可以是诸如iGPS系统的集成的高性能导航和通信系统的一部分。卫星306还可以是例如包括全球轨道导航系统(Glonass)的任何其他定位系统卫星的一部分。
在一个示例中，卫星304可以是可由现有的通信系统(例如铱星或全球星(Globalstar)卫星系统)实现的LEO卫星。在将铱星用于实现卫星304的一个示例中，可用合适的软件对铱星的飞行计算机重编程序，以便于导航信号的操纵。在将全球星通信卫星用于实现卫星304的另一示例中，卫星弯管架构允许地面设备升级，以支持各种新的信号形式。
在卫星304实现为LEO通信卫星的实施例中，LEO通信卫星可构造成支持通信信号以及导航信号。在这点上，可实现这样的导航信号，以解释各种因素，诸如多径反射、测距准确度、互相关性、抗阻塞和干扰能力、以及安全，包括选择性提取、反电子欺骗、和低的截获概率。
接收器单元302可通过合适的硬件和/或软件实现，以接收和解码来自各种空间和地面测距源的信号，以进行导航。这样的信号例如可包括来自GPS(或任何其他定位系统(例如Glonass)、LEO(例如铱星或全球星卫星系统)、大面积增强系统(WAAS)、欧洲静地星导航重叠服务(EGNOS)、多功能卫星增强系统(MSAS)、Galileo、准天顶卫星系统(QZSS)、和/或移动卫星风险公司(MSV)卫星)的卫星广播。这样的信号还可包括来自网络308的地面广播，该网络308可包括蜂窝网络、TV网络、互联网网络、WiFi、WiMAX、国家车路集成系统(VII)结点、及其他合适的源。如本申请的附录所包括地，可根据在2005年11月7日提交的美国专利申请No.11/268,317中提出的各种实施例实现接收器单元302。
如可在特定的实施例中所需要地，接收器单元302还可构造成利用其他空间或地面测距源的广播信号接收和进行导航。另外，接收器单元302可配置有例如实现为微型机电系统(MEMS)装置的惯性测量单元(IMU)，以提供阻塞保护。
接收器单元302还可实现为可适合于特定应用的任何预期的构造。例如，在各种实施例中，接收器单元302可实现为蜂窝式电话、iGPS接收器、手持导航装置、基于车辆的导航装置、基于航行器的导航装置、或其他类型的装置。在实施例中，接收器单元302的位置可对应于用户的位置。
参考图1A，示出根据本发明的实施例的接收器单元302的功能框图。接收器单元302包括适合于从一个或多颗卫星接收卫星信号3010的多频天线3020。天线3020还可适合于例如从图1的网络308接收信号。天线3020耦联至一个或多个预选择滤波器3030、放大器3040和A/D转换器3050。合成器3070从温度控制晶体振荡器(TCXO)3080接收信号，并耦联至A/D转换器3050、惯性3085以及包括存储器和处理器(未示出)的计算机3060。系统相关器可由处理器实现。计算机3060从惯性3085接收原始测量以及来自合成器3070和A/D转换器3050的输入，以产生位置、高度、和时间的输出3090。可合适地确定A/D转换器3050的采样率，使得接收器单元302可下变频至所关心的的基带全波段。
在操作中，根据一个或多个实施例，在接收器单元302被遮挡或阻塞并且不能从卫星306接收信号309(例如GPS信号)的位置，接收器单元302可向网络308发送消息，以请求帮助。然后，网络308确定额外的辅助信息。然后，接收器单元302使用信号307，以校准系统相关器，从而改善来自卫星306的信号309(例如GPS信号)的接收，并因此即使在有遮挡或阻塞的环境中也能够进行导航，其中该信号307与从卫星304接收的信号305结合包括通过网络308获得的额外的辅助信号、并包括精确时间信号。
现在参考图2，提供图解根据本发明的实施例从卫星获得精确绝对时间传递的方法的流程图。在实施例中，可为了用在图1的导航系统300上实现图2，但还可为了用在诸如网络同步的其他系统或应用上实现图2。(如图1所示)从卫星304接收的信号在与包括额外的辅助信息的信号307结合时允许定位。可通过网络308向接收器单元302传送额外的辅助信息。
在方框350中，接收器单元302从卫星304接收包括精确时间信号的信号305。从卫星304接收作为周期地重复的定义明确的代码的精确时间信号。应意识到的是，定义明确的代码可包括例如伪随机代码的许多代码。在示例中，铱星可广播大约每隔23秒重复的伪随机代码。其他实现可包括交替代码结构。例如，在一个这样的实现中，粗定时代码可继之以伪随机代码。在该实现中，粗定时代码可包括为了用在诸如确定多普勒频移的各种操作上而可容易地由接收器单元302检测到的全载波频率的重复段。伪随机代码在该实现中可用于高度准确地确定绝对时间，但对于接收器单元302而言比粗定时代码更难于检测到。在这点上，粗定时代码可由接收器单元302用于有效地确定预计接收到伪随机代码的近似时间。
在各种实施例中，不要求从卫星304接收的信号305包括详细的导航信息，并且来自卫星304中单独一颗卫星的信号305中的仅一个广播可用于启动辅助技术。此外，可从典型的GPS卫星性能充分地降低信号305的定时准确度，但数量级为10微秒的准确度是足够的。在一个示例中，接收器单元302可在衰减或有遮挡的环境(例如室内)中操作，其中接收器单元302能够从卫星304接收信号305，但由于信号309较低的功率和环境的衰减而不能从卫星306接收信号309。例如对于铱星而言，可重复的伪随机代码的结构允许即使在天线处达到大约45dB、也就是说超过大部分GPS接收器不能接收的衰减大约15dB的严重衰减的环境中，接收器单元302也自动跟踪伪随机代码。接收器单元302还可例如在商业情景下信号309被竞争信号潜在地阻塞的环境中操作，或者在例如军事情景下信号309被敌人故意地阻塞的环境中操作。
在方框352中，利用低数据率相关性由接收器单元302确定来自卫星304的信号305的代码的相对定时相位(以下也称为“n”或“代码相位”)。例如，接收器单元302可用于自动跟踪由信号305提供的高功率的非GPS精确时间信号的代码，并确定在小于大约3微秒之内的定时相位。
在方框354中，接收器单元302接收包括通过网络308的额外的辅助信息的信号307。替代性地，例如在接收器单元302移进和移出衰减环境的情况下，可从卫星304接收额外的辅助信息。通常，额外的辅助信息的更新速度相当低，并且原则上可存储24小时或更长。在一个实施例中，额外的辅助信息可包括：代码广播的起始时间，定时传输的预期频率、非GPS卫星轨道的模型、和如在方框350中所描述地可改善从卫星304接收的精确时间信号的保真度的时偏校正信息。另外，可通过网络308或通过接收器单元302的本地时钟提供近似时间(例如在几秒内的准确度)。
在方框356中，根据例如以下将参考图3所描述的方程406，通过将代码的定时相位与可通过网络308接收的额外的辅助信息结合，将代码的定时相位转变成精确绝对时间。
现在参考图2，根据本发明的实施例图解低地球轨道(LEO)卫星的时间传递结构信号。可根据实施例实现图3的时间传递结构，以用于图1的导航系统300，但图3的该时间传递结构还可用于诸如网络同步的其他系统或应用。在该实施例中，通过铱星实现卫星304。应意识到的是，尽管图解了用于铱星的时间传递信号，但可视情况为其他的卫星系统改变在此的说明。在图3的示例中，信号305可包括由各卫星304重复广播的10K的缓冲周期402。各10K的缓冲周期可等于9984字节、或72872位、或256条消息、或46.08秒。每天有1875个缓冲周期。还图解了可等于每脉冲3012位或8.28毫秒的消息帧404(也称为消息)。可由卫星304预先限定其他的位。消息帧404的312位通常为有效载荷位，其中与语音一同发生的例如电话呼叫的通信每隔90毫秒更新一次。各帧每隔0.18秒重复一次，并且所有的位可用于检测消息帧404的边缘。可通过消息帧404内指定的“时隙”偏移脉冲。
例如，如果伪随机代码为312位，则存在具有256条信息的全缓冲。在该示例中，各消息具有其自身的伪随机代码，使得其不与其他代码相混淆。伪随机代码可大约每隔20-40秒重复一次。已知的简单伪随机代码(或其他代码)可用于区分256条消息，并提供显著的处理增益。在一个实施例中，可进行在粗的简单代码(例如有助于载波频率的检测)与更精确的伪随机代码(例如允许更准确的时间对准)之间交替。
在一个示例中，接收器单元302可用于确定时间。加载缓冲并且广播开始。接收器单元302调谐成正确的频率，并找到L波段帧中的位。接收器单元302找到与缓冲的第n条消息匹配的代码。然而，这不表明时间，仅表明其为第n条消息(或重复代码的“代码相位”)。
如在图2的方框356中所提出地，可结合如在图2的方框352和354中所描述的定时相位信息和额外的辅助信息，以形成方程，从而如在以下参考图3的实施例的示例中一样获得精确绝对时间，其中方程406用于确定时间。在方程406中，假定256条独特的消息每隔46.08秒重复。
时间＝12:00am开始时间+(N-1)*46.08秒+(n-1)*0.18秒+时偏+范围/C(光速)
在此，如图3中的方程406所图解地，可经由数据链路传送的卫星304缓冲回放的已知开始时间可以是限定日期的12:00am。“N”(也称为“当前缓冲周期”)是256条消息的伪随机代码块从开始时间起已重复的的次数。在一个实施例中，“N”可由接收器单元302的本地时钟以大约小于10秒的准确度确定。如果消息在12:00广播，并且例如接收器单元302具有与网络308同步的时钟，则接收器单元302可确定当前的缓冲周期“N”。也就是说，如果接收器单元302帮助基于某些已知的变量决定数“N”。
“n”是重复序列内的代码相位。在方程406的示例中，时间消息每隔0.18秒播放一次，并包括256条独特的伪随机消息。然后，伪随机代码从开始起重复。因此，“n”是1与256之间的数。例如利用伪随机代码从卫星304测量“n”，并且其准确到小于10微秒。
如果接收器单元302知道接收到的消息，则可确定代码相位“n”。接收器单元302可运用相关性，以即使在有噪声的情况下确定接收到的消息。例如，如果存在噪声，则可接收到随机位，然后是消息，然后再次是随机位。因此，消息可被噪声破坏，并且可包括破坏的位值。假定发送长的消息、例如1000位的消息，则可将位于接收到的位比较。例如，如果980位是正确的，则比较接下来的1000位等等，直到达到峰值为止。当正确的数大于平均数时，达到峰值。在发送1000位的消息的示例中，如果峰值例如是600，则确定该消息为正确的消息。因此，接收消息，并且在特定的时间在有噪声的情况下统计地确定消息。以下将根据实施例在图3A中描述用于确定接收到的卫星信号的代码相位“n”的方法。
“时偏”例如可表示系统300中的任何定时偏差，并且可补偿卫星304的时钟中测量的误差和/或传输序列中已知的时隙变化。时隙可由卫星304提供，或者它们可由基准站测量，或者它们作为服务的一部分可以是固定的或可预测的。在图3的示例中，可将铱星90毫秒的消息帧分解为时隙。如图3所示，可出现脉冲，并且可在消息帧内偏移指定的时隙。接收器单元302可知道通过网络308使用的时隙。网络308提供诸如传输频率的基本信息，也就是说例如取决于广播的频率和/或其他因素频繁改变的传输的分波段。
“范围”表示卫星304与接收器单元302之间的距离，并利用可经由数据链路传送的卫星304的轨道模型、接收器单元302的位置合适准确的了解、以及近似时间(作为卫星轨道模型的输入)计算该“范围”。在一个实施例中，为了获得大约10微秒之内的准确度，范围估计必需准确到可折合在地上大约20,000m的水平准确度的大约3000m。例如可经由蜂窝网络技术容易地达到该定位等级。另外，可基于用户当前所位于的非GPS卫星波束及最近波束时间(beam time)历史的了解将单波束覆盖方法用于确定接收器单元302的位置。还可合适地采用粗定位的许多其他的方法。在一个实施例中，卫星304的卫星轨道信息(历表)包括诸如卫星304在不同的时间点在卫星星座内的位置的信息及可由接收器单元302使用以从卫星304准确地获得时钟值的其他信息。在一个实施例中，网络308可容易地确定接收器单元302(或用户)在小于一千米之内的位置。范围可准确到大约三千米。接收器单元302的近似时间可与轨道信息一起使用，以确定卫星304的位置。在确定卫星304的范围之后，然后用该范围除以光速(也称为“C”)。
图3A示出根据实施例用于确定接收到的卫星信号的代码相位的方法的流程图。图3A是卫星304包括铱星的示例。在方框2010中，可从铱星接收包括数据的信号，并通过具有合适的天线、放大器和下变频器的接收器单元收集整个铱星频带上的信号(如图1A所示)。在方框2020中，例如可将接收到的数据下变频1606MHz，并且例如可以50M采样/每秒对数据采样。
在方框2030中，可俘获采样数据并存储在合适的块、例如二分之一段的块中的存储器中。
在方框2040中，进行采样数据的粗获取搜索。在该示例中，可将大约9ms的数据选作详细处理。可利用已知的轨道模型和估计时间估计俘获数据的多普勒效应。可基于已知的(或估计的)频率分波段和存取用正弦和余弦函数数字地解调数据。解调还包括估计的多普勒频率。然后，可以例如大约111的系数抽取数据。可在抽取的数据上使用快速傅里叶变换(FFT)，以确定最高峰值和相关的频率。应指出的是，相关的频率可用于在下一迭代中进一步改善解调。解调通常产生DC结果，然而，不完整的多普勒估计通常产生低频分量。接下来，可考虑采样数据后面1毫秒的块并重复该过程。
在方框2050中，检测处理的数据的峰值，以进行相容性检验。例如，应将峰值分开“n”*90毫秒。
在方框2060中，一旦检测到峰值，可在粗峰值+180毫秒-0.5*窗口的位置处进行精细获取。窗口表示预计发现代码的时间的范围。例如，可相对代码中的128条非零消息使接收到的数据相关；然后可记录最高相关性峰值；并且可使时间步递增若干微秒。然后，可在窗口的持续时间内重复该过程。
在方框2070中，在通过知道产生最高峰值的消息和知道相对时间来俘获数据时，可通过接收器单元确定代码相位。
一旦确定代码相位，就可如参考图3的方程406所描述地确定精确绝对时间。
在根据以上根据一个或多个实施例所描述的技术计算精确绝对时间之后，可将精确绝对时间用于诸如网络同步的许多应用，或用作诸如GPS的定位系统的辅助。
在定位辅助实施例中，可将如上所述确定的精确绝对时间用于“聚焦”或校准诸如GPS接收器的接收器单元302的相关器。在这种情况下，GPS接收器可具有许多平行的定位系统相关器，其即使在阻塞或衰减的环境中、在(例如利用在此描述的技术)充分地时间校准时、也能自动跟踪来自例如GPS卫星的卫星306的例如GPS信号的信号309。
接收器单元302还可补偿多普勒频移，该多普勒频移指的是由发射源的运动产生的发射波的频率相对于观察者的变化。当卫星运动通过天空时，卫星信号的传输频率变化。通过利用接收器单元302对时间的了解，该接收器单元302可预测并补偿多普勒频移，使得可获取正确的频率。在一个实施例中，可通过以下的方程计算多普勒频移：
多普勒频移＝范围变化率÷C×标称传输频率
如上所述，到卫星304的范围是接收器单元302与卫星304的位置之间的距离。正如基于时间上在两个不同的点之间行进的距离的速度测量，范围变化率是范围和时间的函数。最后，在以上的多普勒方程中，铱星的标称传输频率例如可以是数量级为1.6GHz。“C”指的是光的速度。
网络308为信号提供卫星信息以及预调谐信息，使得当出现多普勒频移时，信号相应地改变以保持协调。
卫星304的多普勒轮廓还可帮助确定定时信息。接收器单元302可随着时间的过去监控从卫星304接收的各种信号305。通过确定当卫星304在上面运动时出现的多普勒频移，接收器单元302可获得接收器单元302位置的精确确定和定时信息。因此，在此参考图3中的方程406，可通过参考卫星304的多普勒轮廓进行接收器单元302的位置的估计。
因此，在上述实施例中，可向存在地面网络(例如网络308)的接收器单元302传送根据方程406的精确绝对时间，以支持空间网络(例如卫星304和/或306中的一颗或多颗卫星)。
在以下将参考图3B更详细地描述的另一实施例中，在没有如上所述提供的附加辅助信息的情况下可例如通过利用铱星的自然L波段突发结构信号获得精确绝对时间。在各种实施例中，卫星304可以是诸如铱星的LEO卫星，而卫星306可以是GPS卫星。在这样的实施例中，众所周知铱星使用根据从1610MHz至1625MHz的L波段结构的频率。GPS载波也在L波段中，以1176.45MHz(L5)、1227.60MHz(L2)、1381.05MHz(L3)、和1575.42MHz(L1)的频率为中心。由于铱星与GPS频率的接近，所以接收器单元302在无需额外的天线的情况下能够同时从两卫星系统、铱星和GPS卫星系统接收信号。
各铱星均维持在无时钟漂移的情况下相对于世界协调时(UTC，Fr.Temps Universel Coordonné，亦称格林威治平时或祖鲁时间)被监控和维持在10微秒之内的准确度的内部时钟。因此，由铱星提供的L波段信号准确地依赖在大约10微秒之内的UTC时间。L波段的铱星信号由90毫秒帧构成。因此，通过确定铱星信号的L波段帧的边缘，可获得准确的定时信息。
现在参考图3B，提供图解根据本发明的实施例在衰减或阻塞的环境中进行时间传递和导航的方法的流程图。图3B图解的方法可通过图1的导航系统实现，只是在该实施例中，不可经由网络308提供额外的辅助信息。
在方框502中，由接收器单元302检测(例如在由L波段铱星信号实现时)来自卫星304的信号305的广播帧结构。即使没有定义明确的或精细的代码，接收器单元302也能够检测铱星传输信号的L波段帧。由于在该实施例中假定不可从网络308得到额外的辅助信息，所以接收器单元302预备绝对时间连续的猜测或估计。在具有充分的先验了解的情况下，时间估计的数量可常常束缚于合理的数字。例如，在铱星帧结构的100帧之内，存在排队的GPS秒。因此，可将时间估计或猜测的数量减小至100次。
在方框504中，一旦产生连续的估计，则将接收器单元302的本地时钟与卫星304的信号305的帧结构校准。
在方框506中，产生根据帧结构分别被分开的多个时间估计，其中至少一个时间估计与卫星306的信号309校准。
在方框506中，可向接收器单元302平行的相关器提供时间估计。于是，可根据时间估计校准平行的相关器。
在方框510中，识别与卫星306的信号309校准的时间估计，并且该时间估计向接收器单元302提供辅助信息。该辅助信息显著改善接收器单元302的能力，以有效地检测卫星306的信号309。也就是说，如以上根据将铱星用于实现卫星304的实施例所描述地，能够倍增许多平行的电话，例如以确定卫星信号帧结构的帧边缘。在该示例中，铱星具有90毫秒的帧结构。在每100帧之内，存在与之校直的对应的GPS秒。因此，通过简单地了解帧边缘，由于GPS处理通过尝试100帧比通过尝试无穷大数的估计容易获得辅助信息，所以显著改善GPS处理。
根据一个或多个实施例用于获得精确绝对时间的以上参考图1-3B所描述的系统和方法可用于通过即刻初始化无线网络站(例如WiFi收发器、WiFi兼容器件、802.11兼容器件、或其他无线器件)的测绘来便于室内导航。根据一个或多个实施例，通过利用上述精确绝对时间，无线网络站(例如互联网网热点和/或其他类型的无线网络站可用作用于接收器单元302的(具有测绘位置的)定位标志。结果，接收器单元302的漫游用户可在室内环境中导航。
图4提供一种根据本发明的实施例使用卫星以允许无线网络站定位的自成导航系统300a。在图4中，接收器单元302a可构造成接收可包括来自无线网络站702、704、和706的辅助信息的测距信号701、703、和705。各无线网络站702、704、和706与网络708信号通信，并且还从卫星304a接收精确时间和测距信号710。在该实施例中，接收器单元302a的位置可对应于漫游用户的位置。
应意识到的是，无线网络站702、704和706可包括WiFi收发器以及其他无线网络站器件、构造、和/或网络。另外，网络708可包括互联网网或诸如蜂窝网络或TV网络的其他合适的网络。
参考图5，根据本发明的实施例提供图解通过结合卫星信号和无线网络站信号用于进行地理定位的方法的流程图。可实现图5的流程图，以用于图4的导航系统。在该实施例中，可将例如来自铱星和GPS卫星的卫星信号与WiFi或802.11类型的信号结合。
在方框802中，接收器单元302a接收以可重复代码为形式的诸如从例如(如以上根据参考图1-3B的一个或多个实施例所描述的)LEO卫星的卫星304a广播的伪随机代码的精确绝对定时代码信号710。
在方框804中，接收器单元302a经由无线网络站702、704、和/或706接收辅助信息。
在方框806中，将精确绝对定时代码信号710与来自无线网络站702、704、和/或706的辅助信息一起使用，以确定在几微秒的精确度之内的精确绝对时间。
在方框808中，利用精确绝对时间校准接收器单元302a的系统相关器、例如GPS相关器，以便于在有遮挡的环境中的定位、例如GPS定位。
在方框810中，接收器单元302a利用通过精确绝对时间确定的定位信息测绘无线网络站702、704、和706的位置。
在方框812中，接收器单元302a接收无线网络站702、704、和706的以测距代码发送的位置信息。
在方框814中，接收器单元302a通过将来自无线网络站702、704、和706中的一个或多个无线网络站的定位信息和测距信息结合来进行绝对地理定位。
在一个实施例中，如果需要，可通过无线网络站702、704、和706报告漫游用户的位置(例如接收器单元302a的位置)，并因此便于用户跟踪。
图6提供图解根据本发明的另一实施例通过结合卫星信号和无线网络站信号用于进行地理定位的方法的流程图。可实现图6的流程图，以用于图4的导航系统。在该实施例中，还可例如通过结合铱星信号(单独的)和WiFi或802.11类型的信号(通过较长的结合时间)获得用作标志的无线网络站的定位。
应意识到的是，在以上参考图5中的方框802-806所描述的方法可用于该实施例，以确定在几微秒的准确度之内的精确绝对时间。一旦确定绝对时间，就在图6的方框910中，通过利用绝对时间校准接收器单元302a的系统相关器，以便于在有遮挡的环境中的定位。
在方框912中，接收器单元302随着时间的过去测量多颗卫星的卫星测距代码(例如铱星iGPS测距代码)。
在方框914中，假定无线网络站702、704、和706静止，将测距代码与诸如轨道信息和定时信号的卫星信息结合。
在方框916中，接收器单元302a通过结合多次卫星(例如铱星)的通过利用多点定位法反复计算定位。
在方框918中，通过利用定位信息测绘WiFi收发器702、704、和706的位置。
在方框920中，接收器单元302a接收有关WiFi收发器702、704、和706的以测距代码发送的信息。
在方框922中，接收器单元302a通过将来自WiFi收发器702、704、和706中的一个或多个WiFi收发器的定位信息和测距信息结合来进行绝对地理定位。
根据实施例，(如果需要)可通过无线网络报告漫游用户的位置，并因此便于用户跟踪。
为了确定测距，例如可确定到达的差值时间。WiFi收发器可向例如电话机或计算机的接收器单元302a发送消息，并且接收器单元302a一接收到消息，则就向WiFi收发器发送回消息。计算机或电话机的处理周期是已知的。WiFi收发器了解接收器单元302a花多长时间以回响WiFi收发器。因此，可计算到达的差值时间(DTOA)，并且该差值时间等于接收器单元的处理周期加上消息重新回到WiFi收发器所花的时间。
在可应用的情形下，可利用硬件、软件、或硬件与软件的组合实现有本发明所提供的各种实施例。此外，在可应用的情形下，在不偏离本发明的精神的情况下，可将在此提出的各种硬件部件和/或软件部件结合成包括软件、硬件、和/或两者的组合部件。在可应用的情形下，在不偏离本发明的精神的情况下，可将在此提出的各种硬件部件和/或软件部件分成包括软件、硬件、和/或两者的子部件。另外，在可应用的情形下，设想软件部件可实现为硬件部件，并且反之亦然。
根据本发明的软件、诸如程序代码和/或数据可存储在一个或多个计算机可读介质上。还设想可利用一个或多个通用或专用的联网的和/或以另外的方式的计算机和/或计算机系统。在可应用的情形下，在此描述的各种步骤的排序可改变、结合成组合步骤、和/或分成子步骤，以提供在此描述的特征。
上述实施例图解而非限制本发明。还应理解的是，根据本发明的原理可能有许多变型和变体。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

Claims (27)

1.一种获得从卫星传递的精确绝对时间的方法，所述方法包括：
从卫星接收精确时间信号，其中所述精确时间信号包括周期重复的代码；
确定所述代码的定时相位；
接收额外的辅助信息；以及
利用所述定时相位和所述额外的辅助信息确定精确绝对时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中接收额外的辅助信息包括通过网络接收所述额外的辅助信息。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述网络为蜂窝网络、WiFi网络或者互联网网络。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述代码在粗定时代码与伪随机代码之间交替。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述卫星为第一卫星，所述方法还包括：
使用所述精确绝对时间以校准接收器单元的定位相关器，以在衰减环境或阻塞环境中确定来自第二卫星的定位信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二卫星是全球定位系统卫星，即GPS卫星。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述卫星是低地球轨道卫星，即LEO卫星。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述LEO卫星是铱星或全球星卫星。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述额外的辅助信息是与所述卫星相关的轨道信息、在大约5秒之内的近似时间、所述卫星与接收器单元之间在大约3000米之内的近似范围或者与所述卫星的时钟相关的时钟偏差信息。
10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括根据所述卫星的多普勒轮廓确定所述额外的辅助信息。
11.一种在衰减环境或阻塞环境中进行导航的方法，该方法包括：
检测从第一卫星接收的信号的帧结构；
使接收器单元的时钟与检测到的所述帧结构校准；
根据所述帧结构分别单独产生多个时间估计，其中至少一个时间估计将与第二卫星的信号校准；
向所述接收器单元的系统相关器提供所述时间估计；
根据所述时间估计校准所述系统相关器；以及
识别与来自所述第二卫星的所述信号源校准的所述至少一个时间估计，其中所述至少一个时间估计向所述接收器单元提供成功的辅助信息和显著改善的检测效率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述接收器单元是iGPS定时接收器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一卫星是低地球轨道卫星，即LEO卫星。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述LEO卫星是铱星。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述帧结构包括90毫秒L波段帧。
16.一种适合于在衰减环境或阻塞环境中使用的接收器单元，包括：
天线，其适合于从卫星接收精确时间信号和接收额外的辅助信息，其中所述精确时间信号包括周期重复的代码；
处理器；以及
存储器，其适合于存储多条计算机可读指令，其中所述多条计算机可读指令在被执行时适合于使所述接收器单元：
确定所述代码的定时相位，以及
利用所述定时相位和所述额外的辅助信息确定精确绝对时间。
17.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述卫星是第一卫星，所述接收器单元还包括：
系统相关器，其适合于基于所述精确绝对时间被校准，以基于从第二卫星接收的定位信号进行导航。
18.根据权利要求17所述的接收器单元，其中所述系统相关器由所述处理器实现。
19.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述卫星是低地球轨道卫星，即LEO卫星。
20.根据权利要求19所述的接收器单元，其中所述LEO卫星是铱星或全球星卫星。
21.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述网络为蜂窝网络、WiFi网络或互联网网络。
22.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述代码在粗定时代码与伪随机代码之间交替。
23.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述接收器单元是蜂窝式电话、手持导航装置、基于车辆的导航装置或基于航行器的导航装置。
24.根据权利要求16所述的接收器单元，其中所述精确时间信号进一步包括数据，并且其中确定所述代码的所述定时相位还包括：
在所述卫星的频带接收所述数据；
将所接收的数据向下变频并采样；
俘获所述采样数据并将所述采样数据存储在合适的块中；
进行所述采样数据的粗获取搜索；
筛选所述采样数据中的峰值；
在由所述粗获取搜索确定的筛选的峰值位置进行精细获取搜索，从而确定最佳峰值；
基于产生所述最佳峰值和相对时间的识别消息确定所述代码的所述定时相位。
25.根据权利要求24所述的接收器单元，其中进行所述采样数据的粗获取搜索还包括：
选择所述采样数据的部分以便详细处理；
利用已知的轨道模型和估计时间来估计所述采样数据的所述部分的多普勒效应；
基于已知的频率子波段用正弦函数和余弦函数数字地解调所述采样数据的所述部分；
抽取所述采样数据的所述部分；
将快速傅里叶变换应用于所述采样数据的所述抽取部分，从而确定最高峰值和相关的频率；
继续所述采样数据的下个部分并重复所述详细处理。
26.一种适合于在衰减环境或阻塞环境中使用的接收器单元，包括：
天线，其适合于从第一卫星接收精确时间信号和从第二卫星接收第二信号，其中所述精确时间信号包括频带帧结构；
处理器；以及
存储器，其适合于存储多条计算机可读指令，所述多条计算机可读指令在被执行时适合于使所述接收器单元：
检测所述第一卫星的帧结构；
使所述接收器单元的内部时钟与所述第一卫星的帧结构校准；
根据所述第一卫星的帧结构分别单独产生多个时间估计，其中
至少一个所述时间估计与来自所述第二卫星的信号校准；
根据所述时间估计校准所述接收器单元的系统相关器；以及
识别与来自所述第二卫星的信号校准的所述至少一个时间估计，从而向所述接收器单元提供成功的辅助信息。
27.根据权利要求26所述的接收器单元，其中所述频带帧结构包括L波段帧结构。
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