CN103329000A - 无线地理定位网络中的对等感测站的网络定位以及同步 - Google Patents

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Abstract

通过在多个已知位置测量信号特性并在中心节点处理这些测量结果，利用传感器网络来地理定位发射器。传感器将其位置和发射器信号的已测特性传递给中心节点，以及可能被要求与其他传感器同步。GNSS接收器经常用于定位和同步传感器。然而GNSS信号可能被障碍物衰减。在这种情况下，传感器通过与能接收到GNSS信号的传感器做测距来确定其位置。无线回程的波形允许这种测距。另外，很多传感器即使它们与那些位置已知和已被时间同步的传感器没有直接连接，也能够通过从其他传感器接收信号来确定其位置及与地理定位网络进行时间同步。

Description

无线地理定位网络中的对等感测站的网络定位以及同步
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年5月24日提交的第12/786,166号美国专利申请的权益，其公开内容在此通过引用被全文并入。
技术领域
本发明一般涉及无线设备定位的方法和装置，无线设备也称为移动台（MS），比如用于模拟或数字蜂窝系统、个人通信系统（PCS）、增强型专用移动无线电（ESMR）以及其他类型的无线通信系统的那些无线设备。更特别的，但不仅限于，本发明涉及经由无线的内部传感器通信网络对地理定位网络中的被阻塞的和/或盲的、被损的感测站(sensor station)的地理定位和时间同步。
背景技术
初次商业部署于1998年的、基于覆盖网络的无线定位系统被广泛部署，以支持包括紧急服务定位的基于位置的服务。
通过使用TDOA对无线电发射器的迭代地理定位可以包括使用单个的便携式地理定位（如TDOA）传感器、一对便携式地理定位感测站以及三个或更多便携地理定位感测站。在迭代过程中增加便携式地理定位感测站减少了对待定位信号的限制以及减少了获得改善的定位精度所需的迭代次数。
对发射器的无源定位需要其信号特性在多个明显的且已知的位置处被感测站测量。这要求感测站在地理定位网络的位置已知（例如，每个感测站知道其自身位置或中央控制器知道每个感测站的位置）以及彼此时间同步，也就是它们在共同时基上运转。时基所需精确度取决于所使用的定位技术。
另外，感测站应经由通信网络提供发射器信号特性（如定时、功率、角度、信号质量）给中心节点，其中所述信号特性连同感测站的位置被处理，以确定发射器的位置。
感测站的位置可由多种方式确定，包括人工调查、使用内部全球导航卫星系统（GNSS）定时接收器、或接收来自已知位置的固定发射器传输（如商业或政府定时信标或时间和频率稳定传输，比如那些来自于高清电视（HDTV）发射器的稳定传输）。然而，在一些受损环境（例如，其中，一个或多个感测站被阻塞或处于盲区），这些技术都不可用以确定传感器的位置。无线通信网络常用于感测站间的通信，以及这种无线通信网络对以其他技术不能确定其位置的传感器具有双重用途。在本说明书中，术语GNSS和全球地理定位系统（GPS）将可互换地使用。
在此所述的本发明技术和概念应用于众所周知的无线系统，其包括广泛部署的时分复用和频分复用（TDMA/FDMA）无线电通信系统，包括广泛使用的移动通信全球系统（GSM）和基于OFDM的无线系统如长期演进（LTE）、WiMAN（IEEE-802.16）以及WiMAX（IEEE-802.20），还有码分无线电通信系统如CDMA（IS-95，IS-2000）以及通用移动无线电通信系统（UMTS），其中后者也以W-CDMA被熟知。更多背景信息可从2009年11月10日的第7,616,155号美国专利“Portable,Iterative Geolocation ofRF Emitters（射频发射器的便携、迭代地理定位）”获取，其公开在此通过引用被全文并入。
概述
通过适当地设计无线通信波形，以其他技术不能确定其位置的传感器可通过从地理定位网络中的至少三个其他感测站接收通信信号确定其位置，所述至少三个其他感测站已确定其位置，且其时钟与GPS或处于已知位置的固定发射器的传输接收同步。一旦所有的传感器位置已知，且时间同步在内部传感器通信网络上完成，采用无线电地理定位技术对移动设备的定位可用地理定位网络实现。
本发明所示实施方式关于用于对所关注的发射器进行地理定位的系统而被使用。该系统包括包含参考感测站和一个或多个盲感测站的地理上散布的感测站的网络。所示实施方式包括多个感测站，其中至少三个感测站位于已知位置并与参考时钟同步。所述至少三个感测站作为参考感测站是有用的。另外，中心节点被配置成控制感测站，且回程通信网络被配置成允许在感测站和中心节点间进行无线通信。系统被配置成采用回程通信网络和参考感测站以同步和地理定位一个或多个盲感测站。
在另一所示实施方式中，地理定位相关发射器的方法包括确定至少三个感测站的位置并使所述至少三个感测站与参考时钟同步，以及经由回程无线通信网络使用无线通信以同步和地理定位至少一个盲感测站。无线通信包括参考感测站对无线通信波形进行的广播，该无线通信波形由至少一个盲感测站接收并用于同步以及地理定位。
在另一所示实施方式中，用于地理定位所关注的发射器的方法涉及地理上散布的感测站的网络，其包含参考感测站和至少一个缺陷感测站。该缺陷感测站位置未知，与参考感测站不同步，以及与三个或更多参考感测站无直接无线电连接。本发明方法包括确定至少三个感测站位置和使所述三个感测站与参考时钟同步，从而使所述至少三个感测站可用作参考感测站。另外，该方法采用无线通信经由回程无线通信网络以同步和地理定位第一缺陷感测站。这包括参考感测站对无线通信波形进行的广播，该无线通信波形由第一缺陷感测站接收并用于同步以及地理定位。另外，在优选实施方式中，第一缺陷感测站对经由回程无线通信网络与之具有直接连接的、包括一个或更多参考感测站和至少一个其他缺陷感测站的每个感测站进行传输时间测量。另外，所述至少一个其他缺陷感测站对该至少一个其他缺陷感测站经由回程无线通信网络与之直接连接的每个感测站进行传输时间测量。
本概述无意涵盖在此所述的全部发明概念，以及因而本发明所示实施方式其他方面如下所述。
附图简述
当结合附图阅读时，之前的概述和以下具体描述将更好地被理解。为了阐明发明的用途，在附图中示出本发明的示例构造；然而本发明不限于公开的具体方法和工具。在图中：
图1图示了利用时间或功率地理定位技术的、经由基于上行或下行信号的测距的发射器地理定位。
图2图示了借助经由上行或下行信号的到达时间和/或功率差的地理定位技术的发射器地理定位。
图3示出了当卫星定位被阻挡时的盲感测站的定位。
图4描述了使用由卫星定位进行定位的感测站和由传感器网络进行定位的感测站的对发射器的地理定位。
图5示出了中心节点和感测站之间的直接通信。
图6示出了与中心节点直接通信的感测站或经由中间站中继的感测站的混合网络。
图7图示了便携感测站的一种实施方式中的主要子系统。
图8描述了在感测站的多信道、可调谐宽带数字接收器和信号处理器子系统内的功能元件。
图9描述了在感测站内的分集(diversity)定时、定位及频率同步接收器子系统的功能元件。
图10描述了中心节点的一种实施方式中的功能元件。
图11描述了盲或缺陷感测站的位置确定和时间同步的数学基础。
图12示出了地理定位网络中的感测站初始化的例子。
示例性实施方式的具体描述
我们现在将描述本发明的示例实施方式。首先，我们提供问题的具体综述以及而后是我们解决方法的更具体描述。
当网络中有三个或更多感测站接收发射器信号且感测站位置已知并被时间同步时，感测站网络可以使用到达功率（POA）、到达功率差（PDOA）、到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）或TOA、POA、TDOA、PDOA的混合以及/或到达角度（AOA）以二维地理定位无线发射器。要求所有感测站间的精确同步以使时基方法可行，包括到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）方法。相对不精确的共同时基满足到达功率、到达功率差（PDOA）和到达角度（AOA）方法。把时间和功率、时间和角度或时间功率和角度相结合的混合方法要求精确的时间同步。在定位解决方案中使用接收信号的超过三个的感测站增加了定位估计的精度。全球导航卫星系统，如导航星全球定位系统（GPS）卫星系统，常由感测站使用，以确定其位置以及将其在时间和频率上同步。然而，感测站内的GPS接收器要求相当无阻碍地看见（最小衰减、反射、折射信号路径）多个卫星，以确定其位置并使时间和频率同步。很多环境并不可能接收充足数量的GPS卫星以允许网络中的一些感测站确定其位置或时间同步。这些感测站能接收来自已知其自身位置的（或系统已知其位置的）的其他感测站的传输，并与共同时钟时间同步。定位网络中位置已知并被时间同步的感测站被称为“参考”传感器或参考感测站。
那些其自身位置未知且没有被时间同步的感测站在此被认为是“盲”感测站。不能直接与中心节点通信的感测站于此被认为是“被阻塞的”感测站。能直接与中心节点通信的感测站被认为是“直接”感测站。“缺陷”感测站是“盲的”且没有与三个或更多参考感测站有直接无线电连接的。“被阻塞的”适用于通信路径，而“缺陷”适用于无线电路径。
在本发明可被部署于其中的所示系统中，感测站能确定其位置并将其时钟与地理定位网络中所有其他感测站同步。这可通过把GPS定位和定时接收器并入传感器或基于地面信号的同等的定位和定时接收器来获得。如果这些信号不能被传感器接收到，那么传感器就是“盲的”且必须利用其他技术以确定其位置和获取与地理定位网络的时间同步。可设计回程通信网络，以通过使用“参考”感测站来克服这种缺陷，“参考”感测站即通过使用GPS或地面信号可确定其位置和进行时间同步的感测站。参考感测站在本质上用作盲感测站的伪卫星。因此，与三个或更多参考感测站有着直接无线电连接的盲感测站能够自定位和获取与地理定位网络的时间同步。与三个或更多参考感测站没有直接无线电连接（即，其是“缺陷的”）但是与三个或更多参考感测站有间接连接的盲感测站可通过提供关于其可从到其邻近感测站的直接连接接收到的信号的信息给中心节点而能够被定位及与地理定位网络同步。中心节点将处理来自地理定位网络所有传感器的信息，确定盲传感器的位置以及使其与地理定位网络时间同步。实际上，无线回程网络有两个用途。第一个用途是为地理定位网络中的所有感测站提供通信连接，使得其可被中心节点控制，以及将其收集的数据提供给中心节点。第二个用途是允许盲感测站通过到参考感测站的连接来确定其位置和获取时间同步。
无线地理定位网络使用中心节点来控制感测站并接收中心节点命令这些感测站进行的测量的结果。中心节点处理这些测量结果以确定定位估计。中心节点也用作对于发起地理定位的外部系统的接口，并显示定位估计结果。任何特定感测站同样能用作中心节点。作为中心节点的感测站同样能随时间改变。
无线地理定位系统典型地被触发，以确定发射器信号位置。典型地，触发器将设定感测站获取发射器信号的时间和频率。触发器也可设定其他参数以识别所关注的信号。例如，在CDMA系统，这可能是扩频码。触发可能来自外部源。例如，发射器在其上运转的无线网络。定位触发器也可能由中心节点或感测站之一确定。作为另一例子，在设定频率和时间段接收到设定功率电平以上的信号的传感器能够对地理定位网络中所有其他感测站产生触发。参见例如于2005年6月10日递交的美国专利公开US2006/0003775A 1，“Advanced Triggers for Location-based Service Applicationin a Wireless Location System(无线定位系统中基于定位服务应用的高级触发器)”。
固定参考感测站的位置也可由人工调查确定。固定参考传感器的时间同步可以通过从至少一个GNSS卫星、或从与地球旋转同步的广域增强系统（WAAS）、或从来自已知位置的基于地面的陆地定时信号接收传输而获得。GNSS接收器提供此功能。GNSS接收器解决四个未知；纬度、经度、高度和时间。当少于4个卫星广播可用时，GNSS（GPS等）接收器仍能够生成高度精确的定时信号和参考频率，假定一个卫星信号（GNSS或WAAS）可用且接收器的位置和高度是精确知晓的。
尽管使用到达功率差（PDOA）和到达时差（TDOA）在整个本说明书中被用作操作性示例，但是一些或所有感测站也可配置以到达角度（AOA）设备和功能。AOA、到达时间（TOA）和到达功率（POA）技术在感测站或所关注的移动设备（MOI）位置计算中的使用也是并未被排除在外的。（举例来说，词语“所关注的移动设备（mobile-of-interest）”和“所关注的发射器（transmitter-of-interest）”在此用于指其位置将例如由无线地理定位系统确定的发射器。词语“移动的（mobile）”表明发射器不一定在固定位置。在一些例子中，移动发射器可以是便携式单元或甚至是间歇使用的固定单元。）所有讨论的定位技术的混合可能在部署的地理定位网络中实施。将实施到达频差（FDOA）以弥补移动的感测站和移动的所关注的移动设备。另外，一些地理定位技术，如POA和PDOA，不要求感测站间的极端准确的时间同步。
当在移动设备（基于下行信号地理定位的系统）处完成信号收集时，术语“蜂窝站（cell site）”用作通用术语来描述所用的传输站或信标。蜂窝站可作为无线通信网络（WCN）的无线电接入网络（RAN）子系统或专用设备。蜂窝站也可具有为上行信号无线定位技术收集信号的联合定位或集成的感测站。
图1是通过到达功率（PDOA）或到达时间（TDOA）地理定位技术对移动发射器进行唯一位置确定的地理图示。移动设备101的唯一位置由三个圆圈102、103、104的共同交集示出。标距圆圈102、103、104的每一个是以三个地理上分散的感测站105、106、107中的每个感测站为中心的。每个圆圈102、103、104的周长表示来自每个感测站105、106、107的范围（恒定距离的周线）。
通过测量功率和应用传播模型以计算从发射器到每个感测站的辐射距，得到POA范围和发射器的位置。
通过测量时间延迟和应用无线电波传播速度来计算发射器到每个感测站的辐射距，得到TOA地理定位范围和位置。当感测站准确同步时，基于恒定时差的TOA的地理定位（正如用于GPS系统的）是可能的。
图2是采用PDOA或TDOA地理定位技术确定移动发射器的唯一位置的图示。一组地理上分散的感测站205 206 207被示出。移动设备201（即，发射器）的唯一位置由双曲线的公共交点示出。每条双曲线202 203204表示与位于双曲线焦点的一对感测站具有恒定距离差的弧线。对于PDOA，这通过测量位于双曲线焦点的这对感测站的功率差和使用辐射模型将功率差转为距离差来得到。对于TDOA，这通过测量在焦点的这对感测站的移动信号被测量的时间差和采用无线电波传播速度将其传化为距离来得到。
图3示出单个的“盲”传感器301如何能够通过从至少三个知道其位置并与地理定位网络时间同步的“参考”感测站302 303 304接收无线信号305 306 307，确定其自身位置和与网络中的其他感测站302 303 304的时间同步。如图3所示，在每个参考站302 303 304，根据卫星群314提供的无障碍卫星广播导航信号309确定时间同步和自定位。
盲传感器301不能接入卫星群314提供的衰减的或被阻塞的卫星供给无线电信号310，以及必须依靠替代技术以确定其位置和时间上的同步。实际上，经由无线回程，“参考”感测站用作“盲”传感器的伪卫星。
在此所描述的示出的无线地理定位系统的感测站的两个基本要求包括知晓其位置和时间同步。这两个要求可通过每个传感器包括GPS定时接收器来满足。GPS定时接收器接收来自绕地球轨道运行的GPS卫星的信号，以确定其位置和提供时间和频率参考。然而，GPS卫星信号电平是低的以及可能被妨碍其使用的障碍物衰减。用于传感器间通信的无线通信系统能够用于确定不能接收GPS的传感器的位置和使之在时间上同步。
伪卫星概念在美国专利序号6,771,625和美国专利序号6,101,178中被教导，两者题目均为，“Pseudilite-augmented GPS for locating wireless telephones（定位无线电话的伪卫星增强GPS）”。这两个专利都由该专利的受让人持有。
通过广播由TDMA系统交错的CDMA信号，基于地面的参考感测站用作伪卫星，以支持感测站位置的精确确定。伪卫星以例如可从GPS卫星获得的精确计时参考来同步信号传输。邻近伪卫星在不同时间广播CDMA信号，消除伪卫星间的远近(near-far)信号干扰。盲感测站接收和确定伪卫星信号的TOA。与盲传感器相关的定位处理器可访问伪卫星位置的内部数据库，或伪卫星地理定位信息可被编码到伪卫星传输中。定位处理器使用伪卫星地理定位信息和TOA来确定传感器位置，并使其与地理定位网络时间同步。TDMA基于伪卫星的系统可增强GNSS（如GPS），以提供比仅从GNSS可获得的要更准确的地理定位信息。
图4示出具有混合的参考站和盲感测站的便携式迭代地理定位系统的部署例子。图4示出能够接收GPS信号的参考感测站和不能接收GPS信号但经由其能够经由其无线回程进行接收的三个参考感测站能够确定其位置和在时间上进行同步的盲传感器。另外，图4示出中心节点受到外部定位触发，且地理定位网络中的所有感测站接收所关注的信号（SOI），并提供其特性给中心节点（未示出），该中心节点计算和显示位置并将位置提供给外部设备。
多个感测站分布在地理区域中以接收由目标传输的信号。关于待定位发射器（即，目标）的这些感测站的几何布置将影响目标可被定位的精确度。这称为几何精度因子（GDOP）。当感测站完全环绕目标时，可获得最佳精确度。必须从发射器接收信号的感测站的最小数目对二维定位估计是三个，且对三维定位估计是四个（如果移动发射器的传输时间未知）。当超过最少所需数目的感测站能够接收发射器的信号并通过使用超定解决方案参与定位时，定位精确度能够进一步提高。当获取目标信号时，感测站必须知其位置。静态感测站的位置可以由人工调查，或GPS接收器可被并入传感器，以精确确定其位置。利用数字电视广播的其他地理定位接收器也能够被使用。因此，采用这些辅助接收器确定其位置的感测站可以是便携式的。对于时基地理定位技术，感测站必须精确地被时间同步，并从目标同时地或迭代地获取信号（如美国专利第7,616,155号中所描述的）。感测站中的辅助接收器同样能够将感测站在时间上同步。
在图4中，GNSS群401提供卫星广播408，允许部署的多个感测站402、403、404、405自定位并与公共系统时间同步，例如自格林威治标准时间(GMT)或协调世界时（UTC）偏移。一些感测站407被（在本例中，由建筑结构406）阻挡接收足量卫星信号409以自定位或时间同步。那么这些盲站407能被网络方式定位（如图3所示）以及仍有助于在无线通信网络414中定位移动发射器410。如图4所示，示出了在城市环境中具有卓越特性的TDOA，其中TDOA双曲线411、412、413在移动设备410的地理位置相交。
图4所示为无线地理定位网络部署的例子，并包括：多个参考感测站；盲感测站（没有用于自定位的充足的无线电信号或来自GNSS群、WASS或地面广播网的定时的任何感测站）、回程通信系统、中央处理节点/外部接口、显示/控制设备。
无线地理定位系统中的感测站必须具有一种使得其所以能够被控制（即，被命令）的通信方式，以在设定时间从发射器接收信号，并把接收到的信号的特性提供给公共中心节点，在该公共中心节点中其可被处理，以确定发射器的位置。理想地，如图5所示的“星型”通信拓扑结构可在固定感测站512、515、518、519、移动感测站513、514、516、517和中心节点501之间提供通信信令504、505、506、507、508、509、510、511。此处中心节点501被显示为中心主机计算平台502和无线收发站503，允许服务器502被本地或远程定位到无线收发器站503。在中心节点处的显示器、数据库存储和可获取的并行信息未示出。例如，中心节点可具有本地或远程通过广域网连接的关联位置智能管理系统（LIMS）（参见2009年12月18日递交的第12/642,058号美国专利申请“Location IntelligenceManagement System（位置智能管理系统）”）。LIMS是数据捕捉、存储和决策支持系统，其利用从多种资源（如无线网络、无线定位网络和比如网络信息、地理信息、人工输入信息和地理-空间数据的离线资源）可获得的（过去的和实时的）数据来优化遍布众多用户和实体的无线定位资源的利用（规划和选择），以产生智能位置感知。LIMS包括算法、控制逻辑、数据存储、处理器及输入/输出设备，以分析从多个源组合地或单独地获取的过去和实时数据，以元数据形式而非另外理所当然的或易取得的形式产生智能。这些算法能够迭代地将之前生成的元数据自动用于新分析，其将使用实际数据（过去和实时）以及元数据。这类分析将生成信息如：识别所关注的潜在行为、识别与这类所关注的行为相关联的具体移动用户，当（例如预付费移动设备的情况）没有公共ID可用时，移动设备用户和移动设备用户识别之间的关联。
然而，经常地，无线通信回程因便携性而被采用，且中心节点可能与所有的感测站都没有直接无线连接。这一缺陷可以通过使用如图6所示的网格通信网络来克服，其中，与中心节点和那些不能看到中心节点的感测站都具有连接的感测站能够用作中继。
图6示出在真实世界环境中，中心节点如何可能不能直接与地理定位网络中的所有感测站通信，即，一些感测站是“被阻塞的”感测站。然而，网格通信网络经由中继提供通过中心节点确实与之有直接通信连接的感测站的路径，从而提供被阻塞的感测站和中心节点间的菊花链状通信。
在所述部署的例子中，中心节点601中的服务器602使用其关联接收设备603与所部署的感测站通信。直接链接612、613、614、615、616在中心站601和未被阻塞的站604、607、608、609、611之间形成。利用数据库中存储的所部署的感测站的信息和直接无线电链接，中心服务器602然后命令所有直接连接的感测站604、607、608、609、611搜索丢失的、假定被阻塞的感测站605、606、610的空中接口。一旦丢失的/被阻塞的感测站605、606、610被发现，进行发现的传感器用作中心节点601和之前丢失站之间的中继。中继可以是一跳（one-hop），被阻塞的站610和中心节点间存在唯一中间媒介，即进行发现的站609。中继可为多级跳，被阻站605和中心节点601之间有多个中间站607、606。中继可能具有多个连接，其中被阻塞的站605能够使用或选择多个中继连接618、620、621中最佳的一个。
当获取待定位的发射器的信号时，地理定位网络中的传感器将典型地需要知道其自身位置，并与地理定位网络中的其他感测站在时间上同步。传感器框图如图7所示。便携式传感器701包括多个天线702、703、704、接收器707、706和收发器705、子系统之间的内部通信链接708、709、711、712、713和经由内部数字通信链接710与子系统之间具有互联的可选控制器和显示设备711。高灵敏度分集定时接收器/服务器707从地球上方的卫星或从地面广播站（特设系统或具有高正常运行时间服务质量例如高清电视（HDTV）站）接收GNSS信号，以能够确定传感器的位置并当这些信号可得时提供传感器的时间和频率同步。来自待定位的发射器的RF信号被信号天线接收，并被提供给多信道可调谐宽带数字接收器和信号处理器。一旦信号被捕捉，其可被信号处理器处理及结果被提供给中心节点。网格网络通信收发器提供传感器和包括中心节点的其他感测站之间的通信。当传感器知道其位置并被时间同步到地理定位网络的公共时钟时，该传感器可用作其可与之直接通信的盲感测站的伪卫星。控制器和显示设备允许控制传感器并在地图或其他空中图像上显示其位置、其他感测站的位置和目标位置。
多信道可调谐宽带数字接收器和信号处理器是感测站的中心子系统。感测站的代表性的多信道可调谐宽带数字接收器和信号处理器子系统801的功能元件的框图如图8所示。功能元件描述为：无线电频率/中间频率（RF/IF）子系统803、模拟到数字转换子系统（A/D）804、第一存储缓冲子系统805、数字下变频器（DDC）子系统806、第二存储缓冲子系统807、数字信号处理（DSP）子系统808、控制处理器子系统809及时钟分布子系统810。接收天线连接802示出，但接收天线未示出。
RF/IF子系统803将RF信号802的多个信道转换为中间频率（IF）信号811。RF/IF子系统803通过从天线接收RF信号802，对其进行带通滤波以滤除其工作的合适的RF频带以外的信号，然后放大剩下的信号来完成上述转换。剩下的信号然后频率转换到中间频率，在中间频率处，其再次通过带通滤波器滤掉不想要的混合成分和噪声。生成的信号在成为下一阶段输入信号前再次被缓冲放大器放大。多信道可从多个天线接收同组RF频率或从一个或多个天线接收不同的一组RF频率。这例如将既允许接收无线通信网络的上行信号和也允许接收下行信号。经常地，无线通信网络的下行信号被监控以与其时间同步。RF/IF子系统可具有由参考频率驱动的单个本地振荡器或多个本地振荡器，数量为每个信道一个本地振荡器，同样绑定于参考频率以获得频率稳定性。
来自RF/IF子系统803经过处理的信号811被输入到模拟-数字转换器（A/D）子系统804。A/D子系统804具有对于每个接收的无线电信道的A/D转换器。所有的A/D转换器被源自参考频率和参考时间的取样时钟同时计时。每个A/D将来自RF/IF子系统803的信道的模拟信号转换为每个取样包含多个比特数的数字格式。数字取样812的多个信道被供给第一存储缓冲器805，其能提供其输入输出之间的可设置的延迟量。可选择地，第一存储缓冲器805可被设置为环形循环缓冲器。
数字下变频器（DDC）子系统806接收以中间频率为中心频率的宽带数字样本813的多个信道，并将其转换为基带同相正交样本，该样本已经被进一步带通滤波，在频率上被转换，且其输出样本采样率降低。实际上，DDC允许调谐到设定带宽的设定信道，其中采样率被降低以更符合信道带宽。DDC子系统806将具有多个DDC。DDC的数目和RF/IF的信道数一一对应。或者多个DDC可能被分配给单个RF/IF信道，允许接收源自单个宽带RF/IF信道的多个窄带频率信道的信号。DDC子系统806的数字输出814输入到第二存储缓冲器807。多信道数字样本814被供给第二存储缓冲器807，其能够提供其输入输出之间的可设定的延迟量。可选择地，第二存储缓冲器能够用作循环缓冲器，以允许在瞬变信号发生之后对该瞬变信号的地理定位。
DSP子系统808从缓冲器807提取DDC子系统806生成的数字样本815，并以不同形式处理所述样本。这类处理可包括：
ο检测
ο解调
ο相关
ο扩频/解扩
ο编码/解码
ο均衡
ο信号重构
ο定位
控制处理器子系统809用作感测站与外界的外部接口820，通过接收器的内部数字接口817、818、819接收和发送命令和信息。另外，控制处理器子系统809配置接收器801的每个子系统及感测站中的其他子系统。
感测站之间的时间的同步及，可选择的，频率的同步对地理定位是重要的。对于参考传感器，时钟同步子系统810接受由定时接收器提供的参考时间和频率，或者，如果是盲传感器，时钟同步子系统810经由网格通信收发器接受来自中心节点的参考时间和频率，以及生成接收器801内的其他子系统所需的定时信号816。
另外，控制处理器子系统809配置接收器内的每个子系统以及定时接收器/服务器和网格通信收发器。
感测站和中心节点所用的分集计时、定位和频率同步接收器子系统的主要功能元件如图9所述。分集接收器（时间和频率同步单元）901生成用于定位和同步地理定位网络中的感测站的参考位置、时间和频率。如图9所示，分集接收器901包括具有关联的天线904的卫星广播接收器902和包括具有关联的天线905的地面广播接收器903的第二接收器子系统以及共同处理器平台（CPP）906，该共同处理器平台（CPP）906经由控制数字链接911和数据数字链接912耦合到卫星广播接收器902并经由控制数字链接913和数据数字链接914耦合到地面广播接收器903。CPP转而与参考振荡器907相关联，CPP经由控制链接915训练，并经由数据链接916读取。
分集接收器901由至少一个天线阵列服务，优选每个接收器902903一个天线904、905。
卫星广播接收器子系统902经由数据数字链接912提供用于定位的稳定的参考时间和信号信息给CPP。地面广播接收器903也使用所关联的数字数据链接914提供用于定位的参考时间和信号信息给CPP。
相应地，CPP采用卫星接收器902和地面接收器903提供的信号信息规划分集接收器901的系统时间、参考频率和位置数据。数据链接输出系统时间908、参考频率909和地理定位数据910到感测站或中心节点的其他子系统。
在分集接收器更具体的示例性实施方式中，地面广播接收器包括HDTV接收器。地面广播接收器子系统可包括接收辅助信号的天线，辅助信号传递辅助信息，该辅助信息包括广播站位置、信道分配和定时特性及参数。作为一种选择，或另外，地面广播接收器可包括辅助信息接口，以接收包括广播站位置、信道分配和定时特性及参数的辅助信息。本例中，辅助信息接口被配置成将地面接收器耦合到陆地侧辅助服务器或网络。
在另一示例性实施方式中，分集接收器还包括第二接收器子系统，该第二接收器子系统包含经由第三链接方式操作性地耦合到CPP的GNSS接收器。第二接收器子系统经由第三链接方式为CPP提供第二稳定时间和参考频率及位置信息。GNSS接收器可包括辅助信息接口，以接收GNSS辅助信号，其提供了卫星群轨道信息和其他用于纠正时钟漂移、大气层信号延迟及电离层延迟的信息，这些信息被用于增强GNSS接收器位置估计和参考时间及频率的准确度、首次定位时间TFFF及灵敏度。另外，GNSS接收器可包括用于从陆地侧辅助服务器或网络接收辅助信息的辅助信息接口。而且，GNSS接收器可被配置为在静态定时模式下运转，其中当传感器知道其位置时（其可能来自人工调查），提供时间和频率参考，且仅仅一个GNSS卫星信号可用，以及CPP可被配置成基于定位时间、信号质量或操作者喜好指定初级和次级接收器子系统。
还有另一示例性实施方式是，分集接收器包括参考振荡器，其操作性地耦合到CPP，且CPP被配置成与第一和第二接收器子系统通信，以从接收器子系统接收稳定的时间信号，并使用至少一个时间信号以训练参考振荡器。另外，CPP还被配置成选择第一和第二接收器子系统中的一种或混合由接收器子系统提供的信息，以生成待提供给传感器的优化的参考时间、参考频率和时间戳。
图10详细图示了中心节点1001的主要功能子系统。中心节点1001的主要功能子系统是地理定位网络中的感测站的初级控制器。中心节点1001与感测站的设计非常类似，因为其具有高灵敏度分集定时接收器1006、定时服务器1003和网格网络通信收发器/伪卫星元件1004。
定位处理器网关（LPG）子系统1002对于保持与地理定位网络的每个传感器的通信的中心节点1001是唯一的，通信经由直接无线连接或如果其无直接无线连接则经由其他感测站中继。LPG 1002监控所部署的每个感测站的状态以确定其是否是：
-参考传感器或盲传感器
-与中心节点直接连接或非直接连接
-与三个或更多参考传感器直接连接
-其位置已知
-时间已同步
-接收器和信号处理资源的状态
定位处理器网关1002通过自触发机制，经由来自其外部接口的来自其他外部节点或网络中的任意感测站的信息，启动对具体的发射器的地理定位。例如，对于一个或多个感测站，信号电平门限可被设置为特定RF信道的门限。如果感测站检测到的信号电平超过传感器的预置门限，那么信息被送到中心节点，以触发对那个发射器的地理定位。中心节点的定位处理器网关将基于感测站状态分配任务给适当的感测站。
无论地理定位是由外部还是内部触发，中心节点1001将分配任务给适当的感测站，以获取所关注的发射器的信号，测量所收集信号的特征和将所收集信号和计时信息反馈给中心节点1002。中心节点1001将计算所关注的发射器的位置并提供所计算出的位置给外部实体，将其本地显示和/或将其记录在数据库中（未示出）用于将来的后续处理。
对盲传感器的定位和时间同步可以通过对盲传感器距三个或更多感测站的距离的认知完成。有此信息，同时以盲传感器位置的函数表示这些距离的一组数学方程式能够被解出。对于N个参考感测站，其中N大于3，这些距离能被数学表达为：
d 1 = ( x 1 - x ) 2 + ( y 1 - y ) 2 + ( z 1 - z ) 2
d 2 = ( x 2 - x ) 2 + ( y 2 - y ) 2 + ( z 2 - z ) 2
·
·
·
d N = ( x N - x ) 2 + ( y N - y ) 2 + ( z N - z ) 2
参考感测站的位置为(xi,yi,zi)，i从1到N。盲感测站的位置为(x,y,z)。有多种方法同时解这组方程。一种常用方法是将测量距离di和位置(x,y,z)函数的距离模型的方差总和最小化。被最小化以确定(x,y,z)的量（即，度量）被数学表示为：
Σ i = 1 N ( d i - ( x i - x ) 2 + ( y i - y ) 2 + ( z i - z ) 2 ) 2
方程的解可被图示地形象化为以每个参考感测站为中心、以相应参考传感器离盲传感器的距离为半径的三个球体的唯一交点。
盲传感器距参考传感器的距离可通过测量信号从参考传感器传输到盲传感器的传播时间确定。这是GNSS（全球导航卫星系统，如现美国全球地理定位系统(GPS)）终端使用的技术，其中GNSS卫星和伪卫星将其位置和传输时间嵌入到传输至终端的无线波形中。GNSS终端然后记录传输被接收的关于其本地时钟的时间。由于无线电波匀速传播，通过乘以用c表示的光速，所测传输时间可转化为距离，其中光速是无线电波的传播速度。如果卫星时钟和终端时钟时间同步，这种转化的距离可为从卫星到终端的正确距离。但如果不是同步，且时钟漂移因而必须被加入到由测量结果必须求解的变量。该时钟漂移对所有的测量结果都是共同存在的。另外，求解时钟漂移有效地使盲传感器与参考感测站时间同步。方程为：
c T 1 = ( x 1 - x ) 2 + ( y 1 - y ) 2 + ( z 1 - z ) 2 + C o
c T 2 = ( x 2 - x ) 2 + ( y 2 - y ) 2 + ( z 2 - z ) 2 + C o
·
·
·
c T N = ( x N - x ) 2 + ( y N - y ) 2 + ( z N - z ) 2 + C o
同样的，有很多方法求解这些方程组，同时求解盲传感器的位置(x,y,z)和本地时钟漂移Co。一个常用方法是将所测距离加上时钟漂移cTi和作为传感器位置(x,y,z)及其时钟漂移Co的函数的距离的模型之间的方差总和最小化。待被最小化以确定(x,y,z)和Co的量（即，度量）被数学表示为：
Σ i = 1 N ( cT i - ( x i - x ) 2 + ( y i - y ) 2 + ( z i - z ) 2 - C o ) 2
一些盲感测站可能与三个或更多参考感测站间无直接无线回程连接。此刻其被描述为“缺陷的”。然而，缺陷感测站（缺陷感测站是具有少于3个无线电连接的额外限制的盲感测站）仍可通过从其他感测站接收无线回程传输并测量传输时间而被确定位置及与地理定位网络时间同步。
该缺陷传感器场景如图11所示，用于二维TDOA的情况。在期望三维定位或使用混合TDOA/AOA技术的情况下，需要额外的感测站和/或专用天线设备。
图11中，参考感测站被描述为群1101、1102、1103。感测站间的无线连接（无线回程）也示出为1107、1108、1109、1110、1111、1112、1113、1114、1115。以图11所示，地理定位网络中的感测站总数是六个及有三个参考感测站和有三个盲感测站。每个缺陷传感器对其与之具有直接连接的每个传感器进行传输时间测量，如图11所示。参考传感器时钟漂移将为零。
例如，传感器"δ″1106是缺陷的并与参考感测站"α"1101和"β″1102有直接连接1108、1109及与缺陷感测站"ε"1104和
Figure BDA00002432528900191
1105有直接连接1114、1115。因此，该传感器1106可进行四个测量，及对于每个相关位置和时钟漂移得到方程，其为：
c T α , δ = ( x α - x δ ) 2 + ( y α - y δ ) 2 + C δ
c T β , δ = ( x β - x δ ) 2 + ( y δ - y δ ) 2 + C δ
c T ϵ , δ = ( x ϵ - x δ ) 2 + ( y ϵ - y δ ) 2 + C δ - C ϵ
由于感测站"α"1101和"β″1102为参考感测站，其位置(xα,yα)和(xβ,yβ)已知，且其时钟漂移为零。感测站"δ″1106，"ε"1104和
Figure BDA00002432528900196
1105是缺陷感测站，故其位置(xδ,yδ)、(xε,yε)、
Figure BDA00002432528900197
及其时钟漂移Cε、Cε和未知。注意，这组四个方程/测量值有9个未知量。没有足够的方程式来唯一地确定这些未知量。这可通过测量其与之具有直接无线回程连接的感测站的缺陷感测站"ε"1104和
Figure BDA00002432528900199
1105补救。这么做将再生成8个方程，有些冗余，但不会引入任何更多的未知量，从而提供唯一解出这些未知量的充足信息。
对于未知量，有很多方法同时可解这组方程。一个常用方法是使所测距离加上时钟漂移cTi,j和作为位置(xj,yj)及时钟漂移Cj的函数的距离的模型之间的方差的总和最小化。数学上，当感测站总数是M+N、参考感测站的数量为M和缺陷感测站的数量为N时，待被最小化的该度量可写为：
Σ i = M + 1 M + N Σ j ∈ P ( i ) ( c T i , j - ( x j - x i ) 2 - ( y j - y i ) 2 - C i + C j ) 2
其中，j∈P(i)表示与传感器i有直接回程连接的感测站j的集合。
图12所示为感测站初始化的例子。感测站上线1201及检查所存储的配置数据1202。所存储的配置数据1202可为静态位置或上个已知位置。上个已知位置的可用性及有效性被测试1203。
如果所存储的配置数据被认为是有效的，那么感测站试图从可用卫星（如GPS系统/WAAS）广播或地面导航广播确定当前系统时间1207。如果所存储的配置数据被测试为无效（被操作员标记、过旧、不完整、未输入等等），那么感测站将试图用其位置接收器和任何可用卫星广播1204自定位。如果从所存储的配置或经由卫星和地面导航广播未能获得有效位置1205，那会尝试可选定位方式1209。可选定位方式1209包括无线方式（如使用商业高清电视（HDTV）广播或/和其他地面标识）或请求人工输入感测站位置。可选择地，感测站可通过使用卫星广播1206（辅助全球导航卫星系统定位（A-GNSS））及地面导航广播（广域增强系统(WAAS)）获取辅助信息并重试自定位。
如果使用所存储的配置数据、卫星和/或地面导航广播、或可选定位方式能够发现感测站位置，并且其实现了时间同步，则感测站可被宣布为参考站2010，否则，没有其自身位置或没有与地理定位网络时间同步信息，该站应该被宣布为盲站1217。
如果被宣布为参考站，感测站初始化其无线收发器并扫描其他感测站1212。然后所有其他被发现的站被建立直接连接1213。然后感测站1214与中心节点相接。中心节点对感测站的地理定位资源状态（如，自定位精度、直接连接的信号质量）进行评估1215。中心节点然后宣布感测站上线1216及准备就绪参与定位尝试。
如果感测站被宣布为盲传感器1217，那么盲传感器将初始化其无线收发和扫描其他感测站1218。然后任何被盲传感器发现的站被建立直接连接1219。盲传感器轮询所发现的感测站以找出被宣布为参考感测站的任何站。
如果存在到三个或更多参考站的直接连接，且参考计时及每个参考站位置因此已知，那么盲传感器将从参考感测站接收信号1221，并试图用参考站的信号自定位1222。如果盲传感器用参考站信号成功自定位，那么盲传感器宣布其自身为参考传感器1223。参考传感器然后与中心节点建立连接1214。中心节点评估感测站的地理定位资源状态1215。中心节点然后宣布感测站上线1216并准备就绪参与定位尝试。
如果感测站已被宣布为盲的1217，可初始化无线回程1218并与其他感测站建立直接连接1219，但没有与自定位所需的三个或更多参考站建立直接连接1220，则盲传感器将测量所有连接1224，并建立到中心节点的连接1225。然后盲感测站将提供给中心节点每个直接连接的测量结果1226。如果中心节点使用其已知的每个感测站的定时和位置不能得出盲感测站的位置和时移，那么该站被宣布为离线1228。如果盲站的位置和时移可确定，那么中心节点将评估感测站的地理定位资源状态1215。然后中心节点宣布感测站上线1216及准备就绪参与定位尝试。
结论
本发明的真实范围不限于在此所公开的当前优选实施方式。相应地，除了其可能被明确地如此受限之外，以下权利要求的保护范围无意局限于上述具体实施方式。

Claims (32)

1.一种使用地理上散布的感测站的网络来地理定位所关注的发射器的系统，所述地理上散布的感测站的网络包括参考感测站和一个或更多盲感测站，所述系统包括：
多个感测站，其中至少三个感测站在已知位置并与参考时钟同步，所述至少三个感测站用作参考感测站；
中心节点，其被配置成控制所述感测站；以及
回程通信网络，其被配置成允许在所述感测站和所述中心节点间的无线通信；
其中所述系统被配置成采用所述回程通信网络和参考感测站以同步和地理定位一个或更多盲感测站。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还被配置为使得至少三个参考感测站发射无线通信波形，该无线通信波形被盲感测站接收，及该盲感测站基于其从所述至少三个参考感测站接收到的所述无线通信波形被同步和地理定位。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述盲感测站被配置为接收和确定由所述至少三个感测站广播的所述无线通信波形的到达时间(TOA)。
4.如权利要求3所述的系统，还包括与所述盲感测站相关联的处理器，其中所述处理器被配置为使用参考感测站地理定位信息和TOA信息以地理定位和时间同步所述盲感测站。
5.如权利要求4所述的系统，其中与所述盲感测站相关联的所述处理器有权访问参考感测站地理定位信息的数据库。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述参考感测站地理定位信息被编码在由所述至少三个感测站广播的所述无线通信波形中。
7.如权利要求2所述的系统，其中所述至少三个参考感测站被配置为广播传输时间被编码在其中的无线通信波形。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还配置为允许被阻塞的感测站经由所述回程通信网络和至少一个其他感测站与所述中心节点通信。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述多个感测站包括便携式的和固定的感测站。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述中心节点包括显示设备和外部接口。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还配置为使用由已被地理定位的感测站进行的功率测量结果来地理定位所关注的发射器。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还配置为使用由已被地理定位和同步的感测站进行的时基测量结果来地理定位所关注的发射器。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还配置为经由接收到的地面广播信号来地理定位盲感测站。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述地面广播信号包括高清电视(HDTV)信号。
15.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还配置为允许任何感测站触发定位操作并用作中心节点。
16.一种使用地理上散布的感测站的网络来地理定位所关注的发射器的方法，所述地理上散布的感测站的网络包括参考感测站和一个或更多盲感测站，所述方法包括：
确定至少三个感测站的位置并将所述至少三个感测站与参考时钟同步，所述至少三个感测站被用作参考感测站；
采用经由回程无线通信网络的无线通信来同步和地理定位至少一个盲感测站，所述无线通信包括所述参考感测站对无线通信波形的广播，该无线通信波形由所述至少一个盲感测站接收并用于同步和地理定位；以及
使用包括所述至少一个盲感测站的所述地理上散布的感测站的网络来地理定位至少一个所关注的发射器。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个盲感测站接收和确定由所述至少三个感测站广播的所述无线通信波形的到达时间(TOA)。
18.如权利要求17所述的方法，还包括采用与所述至少一个盲感测站相关联的位置处理器，以使用参考感测站地理定位信息及TOA信息用于地理定位和时间同步。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述位置处理器访问参考感测站地理定位信息的数据库。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述参考感测站地理定位信息被编码在由所述至少三个感测站广播的所述无线通信波形中。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述至少三个参考感测站广播传输时间被编码在其中的无线通信波形。
22.如权利要求16所述的方法，其中缺陷感测站经由所述回程通信网络及至少一个其他感测站与中心节点通信和同步。
23.如权利要求16所述的方法，其中所述多个感测站包括便携式的和固定的感测站。
24.如权利要求16所述的方法，其中由已被地理定位和同步的感测站进行的功率测量结果被用于地理定位所关注的发射器。
25.如权利要求16所述的方法，其中由已被地理定位和同步的感测站进行的时基测量结果被用于地理定位所关注的发射器。
26.如权利要求16所述的方法，其中地面广播信号被用于地理定位盲感测站。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述地面广播信号包括高清电视(HDTV)信号。
28.如权利要求16所述的方法，其中任何感测站被允许触发定位操作并被用作一中心节点。
29.如权利要求16所述的方法，其中定位触发接收自外部实体。
30.一种使用地理上散布的感测站的网络地理定位所关注的发射器的方法，所述地理上散布的感测站的网络包括参考感测站和至少一个缺陷感测站，其中所述缺陷感测站处于未知位置、没有与所述参考感测站同步且没有到三个或更多感测站的无线电连接，所述方法包括：
确定至少三个感测站的位置，并将所述至少三个感测站与参考时钟同步，所述至少三个感测站用作参考感测站；以及
采用经由回程无线通信网络的无线通信来同步和地理定位第一缺陷感测站，所述无线通信包括所述参考感测站对无线通信波形的广播，该无线通信波形由所述第一缺陷感测站接收并用于同步和地理定位。
31.如权利要求30所述的方法，其中所述第一缺陷感测站对经由所述无线回程通信网络与该第一缺陷感测站具有直接连接的每个感测站进行传输时间测量，所述每个感测站包括一个或更多参考感测站和至少一个其他缺陷感测站。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述至少一个其他缺陷感测站对经由所述回程无线通信网络与该至少一个其他缺陷感测站直接连接的每个感测站进行传输时间测量。
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