CN108076445B - 使用无线通信网络的gnss信号传输 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于使用无线RF通信标准发送非GNSS信号的接入点，该接入点还被配置为在专用于该非GNSS信号的传输的至少一个通信信道中发送类GNSS信号；包括所述接入点的至少一个的接入点基础设施；以及用于接收GNSS和非GNSS无线信号的接收机，该接收机还配置为在专用于所述非GNSS无线信号的通信信道中接收至少一个类型GNSS信号，以及使用所述类GNSS信号确定其位置。本发明还涉及在所述接入点架构中包括至少一个接收机的定位系统和用于确定位置的相关联方法。

Description

使用无线通信网络的GNSS信号传输
技术领域
概括地说，本发明应用于室内定位领域。具体地说，本发明描述了能够集成到RF无线电通信网络中的定位系统。
背景技术
由于关注的应用的多样性，定位技术，尤其是室内定位技术受到日益增加的关注。在这些应用中有基于位置服务(LBS)，在比如商场、体育场或停车场之类的公共场所，在这些地方，室内定位系统可以提供真实匹配该用户的简档的内容。机器控制是其中之一，例如控制仓库中的机器人、路线寻找应用、增强现实和很多其它应用。为了是相关联的，室内定位必须非常精确和准确无误的。
GNSS(全球导航卫星系统的缩写)定位技术已经被使用并发展了很多年。两个全球导航卫星系统(GNSS)已经被完全部署了若干个年(US全球定位系统(GPS)和俄罗斯GLONASS)，还有另外两个正在被部署(中国北斗导航卫星系统和欧洲伽利略系统)。GNSS定位技术提供精确的且可靠的位置(在一些配置中，精度小于1米)，但是需要运行在接收机处于很多卫星视线之内的环境中。为了获取完整的位置、速度和时间估计(PVT)，该接收机需要在至少四个卫星视线之内。如果要解决的不确定性数量减少，处于视线之内的卫星的数量可以被减少。例如，完整PVT计算可以在要解决的一个或多个变量(所述变量是3D位置和时间信息)由其它信号或传感器(例如高精度时钟、高度计…)提供时，用视线之内少于四个卫星来计算。
在传播条件包括该环境上的反射时，例如在城市环境中，该GPS定位的质量恶化到几十米的数量级。此外，由于它们的载波长度，GNSS定位信号在穿过建筑材料(比如屋顶或墙壁)时明显损失功率。由于这些原因，并且还由于卫星水平的传输功率水平限制和从该接收机到卫星的高传播距离，依赖GPS信号在室内环境(接收机和卫星之间不是直接可见)中定位是几乎不可能的。
自治室内解决方案已经在最近几年内被开发出来，以便于提供室内定位。这些技术大部分依赖于机会化信号(Wi-Fi、蓝牙、蜂窝发射塔ID、数字TV)的使用结合或不结合另一个信息(比如信号强度)来定位一个区域，但是它们提供较差的准确度。其它技术依赖于惯性传感器的使用，其更适用于室内服务，但是它们很贵，要求准确的并且频繁的校准，并且给出时间依赖的结果。在多路环境中提供准确结果的具体技术，比如超宽带，也已经被开发出来。它们显示出消耗无线电频谱(RF)的缺点，因此受到限制性管理测量并且对该接收机无线电频率链的设计增加重要约束。
其它室内解决方案是直接从GNSS定位技术导出的。例如，地面发射机，公知为伪卫星，可以被放置在室内位置的各个点处，用于发送至少四个类GNSS信号。其它设备，被称为中继器，被配置为从位于室外的天线获取一个GNSS信号，与其它中继器交替地放大并发送这一信号。该接收机从该GNSS信号获得天线的位置并从与不同发射机做出的连续发射之间的每个卫星相关联的伪范围测量的演进的评估获取它的相对于该中继器的位置。还有公知的称为repealite的设备，从外部天线获取GNSS信号，连续地放大并发送所述信号，每个repealite还在重新发送该信号之前插入不用的延迟。
这些解决方案的每一个有其自己的优势和缺点，但是提供准确的结果。但是，对这些方案(伪卫星、中继器或repealite)中的一种的部署成本都非常高，因为大量专用设备要被安装到室内位置以发送信号。另外，在专用于该GNSS传输的载波频率处从地面站发送受到很多管理约束，以避免打扰现有GNSS网络信号。如果该信号是在另一个频带中发送的，则用户为了兼容需要购买、搬运和使用具体专用于这一目的的设备。在标准接收机中集成额外的接收模块，例如在智能电话中，以便与使用另一个频率发送的GNSS信号兼容也是一个问题，因为它会在该设备中占用一些空间并且消耗功率。
现在，城市或半城市空间，包括大部分公共区域(商场、机场、剧院、停车场等等)都被多个无线RF通信标准的至少一个覆盖。这些通信标准的示例是用于互联网连接的Wi-Fi网络、蓝牙网络、视频广播标准(例如DVB-T(ETSI EN 300 744)或DVB-T2(ETSI EN 302755))，以及移动网络(2G、3G、4G、5G)。在专用于这些网络的频带中发送可以不受管理，或者至少比在GNSS频带中发送受到更少的管理约束。
但是，现在市场上可用的大部分手机配备专用于使用这些通信标准的芯片：智能手机总是包括用于通过2G、3G、4G、GPS、Wi-Fi(IEEE 802.11)和蓝牙标准通信的单元。
因此需要一种允许基于比如GNSS之类的标准化解决方案和已经部署的设备以有限成本提供准确室内定位服务的解决方案。
发明内容
本发明的目标是利用发射机的原来构思为发送非GNSS信号并且已经广泛部署的发射机的优势来发送GNSS信号。本发明的另一个目标是受益于该接收机的多个标准方面以接收所述GNSS信号。该发明还包括一个系统基础设施，其允许在室内环境中或在GNSS信号被高度扰乱的环境(比如城市峡谷)中精确定位，因为其基于GNSS定位技术和概念，并且只要求对现有发送和接收设备的有限的修改。因此，这一系统可以被快速地并且以低成本实现。
为此目的，本发明公开了一种用于使用无线RF通信标准发送非GNSS信号的接入点，所述接入点还配置为除了该非GNSS信号，还在专用于非GNSS信号的传输的至少一个通信信道中发送类GNSS信号。
有利的是，该无线RF通信标准是在Wi-Fi、蓝牙、3G、4G和5G标准中选择的。
根据本发明的发射机的类GNSS信号包括由伪随机码调制的导航信息，并且在不同于标准GNSS载波频率的载波频率上发送。
在一个实施例中，根据本发明的接入点还包括用于生成类GNSS信号的计算电路，以及用于将所述类GNSS信号和非GNSS信号组合到同一个信号中的组合器。在另一个实施例中，其包括用于生成代表类GNSS信号的比特流的计算电路。
在根据本发明的接入点中，类GNSS信号和非GNSS信号是使用时分复用技术或频分复用技术中的一种复用的。
根据一个实施例，根据本发明的接入点还配置为在非GNSS网络上接收命令时发送所述类GNSS信号。
根据另一个实施例，其还配置为从GNSS信号获取导航消息，并且使用类GNSS信号和非GNSS信号中的一种向其它接入点发送所述导航消息。
本发明还公开了一种接入点基础设施，用于实现使用由至少一个非GNSS接入点发送的类GNSS信号确定一个区域上的位置的方法，该接入点基础设施包括至少一个根据本发明的接入点，该接入点可以配置为使得能够在该区域的任何位置处接收到至少一个类GNSS信号。
有利的是，所述接入点在公共时间参考上同步。
本发明还公开了配置为用于接收GNSS和非GNSS无线RF信号的接收机，该接收机还配置为在专用于所述非GNSS无线信号的通信信道中接收至少一个类GNSS信号，以及使用所述类GNSS信号确定该接收机相对于该接入点的位置的位置。
根据该接收机的一个实施例，其位置是使用至少四个所述类GNSS信号确定的。
根据该接收机的另一个实施例，其位置是使用所述至少一个类GNSS信号和从其它设备(例如准确时钟或高度计)获取的信息确定的。
在一个实施例中，根据本发明的接收机包括用于接收和处理GNSS信号的前端模块和计算电路。它还包括用于接收并处理非GNSS信号的前端模块和计算电路。该接收机配置为使用该非GNSS前端模块接收至少一个类GNSS信号。
有利的是，该接收机被配置为使用该GNSS计算电路处理该至少一个类GNSS信号，以计算伪范围并确定该接收机的位置。或者，根据本发明的接收机包括用于从所述类GNSS信号计算伪范围并确定该位置的专用计算电路。
本发明还公开了一种定位系统，用于从使用多个非GNSS接入点发送的类GNSS信号确定位置，该定位系统包括：
●根据本发明的接入点基础设施，以及
●根据本发明的至少一个接收机。
有利的是，在根据本发明的该定位系统中，至少一个接收机配置为从伪范围测量计算伪范围残差，所述伪范围测量是从类GNSS信号和参考信息获取的，以及将伪范围残差发送给负责计算相对于该接入点的延迟并且使用该非GNSS信号发送所述延迟的计算服务器。
本发明还公开了一种用于部署定位系统的方法，该定位系统包括配置为使用无线RF通信标准发送非GNSS信号的至少一个接入点，以及配置为接收GNSS和非GNSS无线信号的至少一个接收机，根据本发明的该方法包括：
●在专用于非GNSS信号的传输的至少一个通信信道中从至少一个所述非GNSS接入点发送类GNSS信号的第一步骤
●在专用于所述非GNSS信号的传输的至少一个通信信道中由所述接收机接收类GNSS信号，并且确定相关联的伪范围测量的第二步骤，
●使用所述伪范围测量计算相对于所述接入点的位置的位置的第三步骤。
附图说明
通过下面若干个示例性实施例的描述及其附图可以更好地理解本发明并且可以显现出其各种特性和优势，其中：
-图1a、1b和1c根据现有技术简要描述了GNSS通信系统运行的方式；
-图2a代表根据现有技术的RF发射机的整体架构，而图2b到2f代表根据本发明的发射机的各个实施例；
-图3a和3b代表根据现有技术的RF接收机的整体架构，而图3c到3f代表根据本发明的接收机的各个实施例；
-图4a到4d代表根据本发明的定位系统的各个实施例；
-图5代表根据本发明用于发送和接收定位信号的方法的流程图
本说明书中公开的示例仅仅是本发明的实施例的举例说明。因此，在其更广泛方面中的本发明并不仅限于示出和描述的具体细节、代表性方法和举例说明性示例。
在下文中，尤其要注意运行在2.4GHz频率处的Wi-Fi标准，因为这一标准有利地适合本发明，并且要注意1.6GHz处的GNSS通信，它是L1GPS频带，但是无线通信和/或GNSS标准领域的技术人员应该能够容易地改变本发明以便用任何其它无线通通信标准或载波频率执行相同的方式。
具体实施方式
图1a、1b和1c根据现有技术简要描述了GNSS通信系统运行的方式。
如图1a中所示，现有GNSS定位信号通常由导航消息101构成，包括该接收机要求的用于计算与该发射机的伪范围的各种信息。该导航消息还由PRN(伪随机噪声)码102调制，每个卫星使用不同的PRN码，这样该GNSS接收机能够独立出从一个特定卫星发出的信号。一旦用该PRN码扩展，该导航消息在被发送之前被调制并移位到载波频率103。
图1b示出在现有民用GPS定位系统(GPS L1C/A)中采用的导航消息的结构。该导航消息被划分为帧(111、112、113)，它们继而被划分为子帧(121、122、123、124和125)。
所有子帧包含在HOW字段(切换词语)131中发送的精确的时间信息。每个子帧还包含具体信息，尤其是称为星历(132、133)的信息和被称为年鉴(134、135)的信息。
该星历给出星座的各个卫星的位置。这一信息是部分发送的，并且其通常需要大约30秒来获取完整星历及其相关联的时间数据。该历书(almanacs)给出关于该星座的每个卫星的粗略轨道和状态信息，以便允许接收机计算还不在视线内的卫星的粗略多普勒位移、方位角和仰角。
图1c示出关于载波频率的现有GNSS定位系统中使用的调制的功率谱密度的示例。
大部分GNSS标准根据准确度和频谱占用要求使用BPSK(二相相移键控)调制或BOC(二进制偏移载波)调制中的一种。
可以观察到的是，BPSK频谱140将其大部分能量包含在该载波频率周围。BPSK调制是很容易实现的、健壮并且众所周知的，并且导向没有模糊度的自相关函数(没有相关函数的次要峰值)。
生成BOC信号是通过用额外的子载波调制该信号的载波完成的。作为这一额外调制的结果，BOC频谱141被拆分为两个分布在该标称载波频率两侧的侧频带，并且一个频率间隔等于子载波频率二倍。该信号的每一波瓣可以被独立地认为是一个BPSK频谱。BOC调制允许达到比BPSK调制更高的准确度，但是使用更多带宽并导向有模糊度的相关函数(次要峰值)。BOC调制具有很多变形，其中正弦BOC、余弦BOC、复用BOC(MBOC)由频谱142或AltBOC(其它BOC)代表。无论调制的选择和调制参数，本发明都同等地应用。
计算位置所要求的接收机架构的技术规范受益于多年的研究和发展达到了完备的成熟水平。意在解决已知的干扰问题和衰退，例如达到某个程度，损害减轻(干扰、多路反射...)或者提高计算速度和/或定位准确度(传感器融合算法、快照定位…)的无论是软件还是硬件上的技术细节都是公知的并且有效的。因此，在室内环境中使用GNSS定位系统的主要剩余问题大部分来自信号功率水平不够强不足以穿过建筑物墙壁的事实。已经观测到的是穿过墙壁会降低测量精确度。
本发明建议在室内环境中使用由非GNSS发射机发送的类GNSS信号。所述类GNSS信号是标准GNSS信号，意味着它们包括由伪随机码调制的进一步由载波频率调制的导航消息。这些类GNSS消息是由不是卫星的接入点在不同于由GNSS标准分配的载波频率的频率处发送的，比如[1164MHz-1264MHz]、[1215MHz–1254MHz]、[1260MHz–1300MHz]、[1559MHz–1610MHz]、[2483.5MHz–2500MHz]和[5010MHz–5030MHz]GNSS频带。但是，类GNSS信号的波形参数(例如该导航消息的尺寸和内容、PRN码的长度或码片速率、信号调制…)可以被修改以更好地适应使用情况。要注意的是，修改PRN码的码片速率可以被认为是将该信号的带宽适配由该非GNSS发射机负责的带宽。这一修改要求使用非标准的或高度可配置的GNSS接收机。
发射机和接收机之间的低距离，以及在已发送信号功率水平上的更低约束意味着该信号可以在室内或杂乱环境中被安全接收到，即使需要穿过一些墙壁。本发明不同于伪卫星，因为其建议使用现有RF无线发射机来发送该信号，并且因此受益于这些发射机的覆盖和现有基础设施/网络。这种使用在现今是合理的，因为大多数接收机不再专用于具体标准而是用于各种通信标准，并且能够被改变以处理类GNSS信号。
图2a粗略代表了非GNSS RF无线发射机200(也称为接入点)的整体架构，例如Wi-Fi发射机。在下文中，术语非GNSS表示第一使用不是用于准确地确定位置并且不一定意为着是卫星的任何设备或通信标准。例如，第一使用是要在用户之间发送数据的通信标准将会被认为是非GNSS标准，即使该标准的一部分可以包括范围测量。在非GNSS标准中有，例如Wi-Fi、蓝牙、GSM/2G、3G、4G/LTE、5G、DVB-T、DVB-S…，而在GNSS设备中有，例如GPS、伽利略、北斗、GLONASS网络等等的发射机和接收机。
发射机200包括三个主要的块。第一块201以数据分组的形式生成包含有用数据载荷以及由不同通信层提供的信息的比特流。一般来讲，这些数据分组对应于MAC层的输出。
第二块202用于调制该数据分组，并且插入关于PHY层的信号帧信息，例如用于同步和信道估计的头部或导频序列。这一块的输出一般被从数字转换为模拟，并且由第三块203，Tx链处理，它用于滤波并在载波频率上变换该信号。然后，该信号由放大器205放大并使用天线206发送。
前两个块201和202一般实现在计算机器中，比如软件可重新编程计算机器(微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)等等)或专用计算机器(现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等)。该第三块203一般是模拟的，但是这一第三块的一部分可以是数字的。
本发明建议对非GNSS发射机架构(比如Wi-Fi接入点)执行最小化的调整，以便使其能够除了它的常规传输还能使用非GNSS传输的通信信道发送类GNSS信号，依赖于本实施例，该通信信道是非GNSS通信系统的时间或频率资源。根据本发明，例如Wi-Fi接入点或蓝牙设备可以配置为除了广播SSID(服务集标识符)还广播非GNSS信息。
图2b代表根据本发明的发射机的第一实施例，其中，类GNSS信号在模拟RF级与非GNSS信号组合起来。
三个新的块211、212和213被用于生成类GNSS比特流(其包括导航消息)、添加PRN扩展码、调制该信号并执行滤波和该信号到载波频率的变换直到最后的放大。
块211和212可能要求向该设备添加特定硬件(即，额外的DSP、FPGA或ASIC)以生成该信号，但是也可以通过在现有硬件平台上执行单独的源代码来完成。在那种情况中，只需要固件升级而不需要硬件平台的任何修改。但是，为了实现本发明，块213要求向该发射机添加无线电链。
所述类GNSS信号和非GNSS信号被通过RF组合器214组合在一起，这样得出的信号包含所述类GNSS信号和非GNSS信号二者。该组合器的输出被放大并发送。RF组合器是将两个或多个信号组合到一个信号中的RF设备。
在适当的时候，例如在Wi-Fi信号可以使用各种频带发送的Wi-Fi发射机上下文中，可以使用不同于用于发送该非GNSS信号的那些频率信道的频率信道来发送所述类GNSS信号。但是，由于放大器205和天线206的带宽仅限于非GNSS标准频带，因此所述类GNSS信号必须在这一非GNSS频带中发送。在那种情况中，用于发送所述类GNSS信号的通信信道是非GNSS资源的频带。这样的两个信号在不同载波频率上的同时传输是在初始并不想被复用在一起的两个信号上执行的频分复用(FDM)。这样的处理可以相比于非GNSS带中的FDM(频分复用)技术。有利的是，所述类GNSS信号可以同时在多个频带上发送。
或者，所述类GNSS和非GNSS信号可以被组合在同一个载波频率上。由于所述类GNSS信号由PRN序列扩展，即使在该信号功率水平远远低于噪声水平时其也可以被解调，该噪声在此处包括由于该接收机而造成的白噪声和该非GNSS信号。因此这两个信号能够有利地在相同带宽中同时发送。如果该非GNSS信号对干扰是健壮的(使用，例如扩展本身)，它将不会受到所述类GNSS信号的影响。否则，所述类GNSS信号可以以比该非GNSS信号更低的功率水平发送，这样对该非GNSS造成的破坏是有限的。必须确定这两个信号的相关功率水平或所述类GNSS信号的PRN码的长度，这样可以接收到这两个信号二者。在那种情况中，用于发送所述类GNSS信号的通信信道是非GNSS资源的时间间隔和频带二者。
图2c代表本发明的另一个实施例。这一实施例接近图2b的一个，除了组合器214被开关224代替，该开关交替地从所述类GNSS和非GNSS信号选择要发送的信号。事实上，GNSS接收机基于跟踪环路，其连续跟踪同步位置。这些跟踪环路可以被制造的对信号中断和/或使用非连续跟踪的定位技术(快拍定位)是健壮的。此外，在室内环境中，该接收机的运动速度将是非常有限的，因此该跟踪环路不会快速移位，并且即使只在有限的时间部分内接收类GNSS信号也能够运行。
考虑非GNSS信号传输，通信标准一般包括纠错码，并且能够处理数据流的部分中断。另外，它们的大部分基于IP(互联网协议)，其包含用于跟踪并重新发送丢失数据分组的机制。因此，不时地中断该业务将降低网络的整体吞吐量和平均延迟，但是将不会阻挡非GNSS消息的传输。必须确定切换速率，这样非GNSS网络的吞吐量降低是可接受的，同时由于所述类GNSS信号，该定位也变得可能。在那种情况中，用于发送所述类GNSS信号的通信信道是由非GNSS资源的时间间隔构成的。这两个信号在相同载波频率上的这一替换传输是在初始并不想要被复用在一起的两个信号上执行的时分复用(TDM)。有利的是，在非GNSS系统使用TDMA(时分多址)控制接入来向网络中的不同用户分配资源时，特定时隙也可以被预留用于发送所述类GNSS信号。因此，在这些时隙内中断该非GNSS信号不会导致分组丢失。例如，如果该非GNSS系统是2G网络，则该GSM帧的一个或多个时隙可以被预留，就像它们要向特定该用户分配时间资源一样。
如果非GNSS无线电链203可以被重新配置(例如在软件定义无线电中)，开关224可以是该无线电链的运行上游。
图2d示出本发明的另一个可能的实施例，接近图2c的实施例，也就是执行两个信号的时间复用。在这一实施例中，类GNSS信号是使用非GNSS无线电链233发送的。类GNSS调制器必须确保要发送给该无线电链的类GNSS信号的采样速率等于非GNSS信号的采样速率。该无线电链233必须被修改为交替地从两个信号源选择，并且切换速率确定为使得两个系统都正确运行，或者使得类GNSS信号在非GNSS帧的预留时隙内被选择。
在图2d中示出的实施例中，类GNSS信号由设计为滤波该非GNSS信号的滤波器滤波。在GNSS带中，该RF频谱的20到40MHz宽部分一般专用于该信号。因此，所述类GNSS信号的带宽将潜在地被降低到非GNSS标准的信道的尺寸。但是，该GNSS信号频谱的有用部分仅限于主要波瓣。在实践中，当类GNSS信号是使用BPSK调制(比如用于GPS L1C/A的)发送的时，大约2MHz的带宽足够用于接收该信号的主要波瓣(lobe)。在该信号是使用BOC调制发送的时，有可能只发送该信号的一个波瓣，其导致3dB的功率水平丢失但是不会妨碍使用该信号。因此，本发明与很大范围的标准兼容(例如，Wi-Fi信道是20到22MHz、3G信道是5MHz、4G信道是1.4到20MHz、DVB-T信道是8MHz等等…)。为了与其它标准兼容，例如信道宽度是1MHz的蓝牙标准，在实现本发明时可以修改PRN序列的码片速率。
图2e示出本发明的另一个实施例，其适用于非GNSS发射机有能力以BPSK或BOC调制中的一种调制比特流的情况。在该情况中，非GNSS发射机241生成由PRN码扩展后的导航消息构成的比特流。这一比特流用作非GNSS调制器242的输入，它从非GNSS或类GNSS信号(TDM)选择。为了与这一实施例兼容，非GNSS调制器242必须有能力将具有与扩展序列的抽样频率有关的抽样频率的比特流作为输入。在那种情况中，只需要该非GNSS模块的固件适配就可以使该传输设备与本发明兼容。有利的是，该非GNSS帧中的一些时隙可以被预留，这样非GNSS信号的中断不会导致分组丢失。
图2f示出根据本发明的另一个实施例，非常接近图2e的实施例。这一实施例在非GNSS调制器提供扩展信号的能力时是可能的，例如在Wi-Fi802.11b和g标准的DSSS模式(直接序列扩频)中。在那种情况中，类GNSS信号源251以适当抽样频率生成并向非GNSS调制器252发送导航消息。该非GNSS调制器配置为调制由PRN序列调制后的导航消息。所述类GNSS和非GNSS信号在时间上复用。如图2e中所示，非GNSS信号帧可以被修改为针对类GNSS信号传输预留时隙，这样不会丢失非GNSS信号的分组。因此，只需要发射机的固件修改就能实现本发明的这一实施例。在那种情况中，用于发送所述类GNSS信号的通信信道是非GNSS资源的时间和频率资源。
在上述所有示例中，类GNSS信号和非GNSS信号之间的复用比率是该定位系统要求的服务质量和该非GNSS通信系统能够容忍的服务质量的降低之间的妥协的结果。但是，随着发射机和接收机在非GNSS通信网络上通信，该复用也可以“按需”完成。那样，当被请求时，只在有限时间段内发送类GNSS信号。这提供了在不需要定位信息时不隐含非GNSS通信系统服务质量的任何降低的定位能力。
若干接入点提供双重或三重能力。在Wi-Fi接入点的示例中，公共和私有Wi-Fi网络可以由相同的设备提供。这些网络可以在相同的频率上或不同的频率上：例如2.4GHz或5GHz。还有可能使用特定信道。例如，信道8，其具有2436MHz到2458MHz的频率范围。在另一个示例性实施例中，在欧洲或美国没有被使用的信道14可以被预留专用于类GNSS信号。
图3a和3b代表根据现有技术的RF接收机的整体架构，而图3c到3f代表根据本发明的接收机的各个实施例。在这些实施例的大部分中，本发明有利地重新使用在标准服务中已经实现的全部或一些模块/逻辑，以便尽可能减少硬件和软件开发和实现本发明所需要的成本。
现在，大部分接收机能够同时接收使用不同通信标准和不同载波频率发送的信号。图3a中代表的接收机仅仅为了举例说明的目的用作当前技术接收机的示例。这一接收机被设计为接收并利用Wi-Fi信号(使用大约2.4GHz的ISM带)，和GNSS信号(在大约1.6GHz的L带中发送的)。为此目的，其可以包括两个独立的芯片或芯片组：一个芯片组301用于Wi-Fi信号304，一个芯片组302用于GNSS定位信号305。该接收机可以具有另外的能力使用各种标准通信，例如2G、3G、4G、蓝牙。在那种情况中，其可以包含多于两个芯片组。
每个芯片组包括一个无线电频率前端(RFFE)链(310、312)，适用于接收到的信号的载波频率，用于分别接收Wi-Fi和GNSS信号并转换为基带或中间频率。每个芯片组还包括一个计算电路(311、313)，专用于该Wi-Fi和GNSS信号的处理。这些电路可以是硬件电路、在任何计算设备(处理器、DSP、FPGA、ASIC或其它)上实现的软件代码，或硬件和软件的混合。例如，在GNSS接收机中，电路313可以包括用于从接收到的定位信号计算伪范围的跟踪环路，以及用于处理传播环境的变化(例如多个传播路径减轻、多普勒移位纠正等等…)并且从多个伪范围计算该接收机的位置。
图3b代表从现有技术公知的另一个接收机，其中，RFFE链(310、312)和计算电路(311、313)被重新分组到一个芯片组303中。
图3c代表根据本发明的接收机的第一实施例，他包括两个独立的用于处理GNSS和非GNSS通信标准的芯片组，并且类GNSS信号的波形与标准GNSS波形兼容。为了处理使用非GNSS频率发送的类GNSS信号(例如在Wi-Fi频带中)，根据本发明的接收机包括桥接312，将非GNSS RFFE链的输出与GNSS计算电路的输入连接起来。因此，基带或中间频率信号被传送给标准GNSS计算设备，并且有利地作为标准GNSS信号被进一步处理。
为了与本发明兼容需要对现有设备做出的修改在于添加向Wi-Fi芯片组301的额外输出，向GNSS芯片组302的额外输入，所述输入/输出和用于命令这些输入/输出的逻辑之间的连接。在接收机中额外占用空间和额外功率消耗方面，成本接近于零。
在该接收机只包括一个芯片组(如图3b中所示)时，所需要的修改有利地在于：向该芯片组添加用于处理使用具有GNSS计算电路的非GNSSRFFE接收到的信号的逻辑。这一修改可以是固件或软件修改。
图3d代表根据本发明的接收机的另一个实施例，该接收机使用公共芯片组处理GNSS和非GNSS信号二者。这一实施例运行在类GNSS信号的波形与标准GNSS波形兼容时。使用非GNSS通信系统和GNSS定位系统接收到的传输在公共计算电路323中得到处理。在那种情况中，只需要该计算电路内的修改，可能只是软件修改，以便将接收到的类GNSS信号处理到非GNSS频带中。
图3e代表根据本发明的接收机的另一个实施例，应用在该接收机包括一个或多个用于处理GNSS和非GNSS信号的芯片组时。添加额外的计算电路324用于处理使用非GNSS频带发送的类GNSS信号。这一电路将非GNSS RFFE链310的输出作为输入。这一实施例在类GNSS信号不是在与非GNSS信号相同的频率信道中发送(频率复用)时尤其有利。实际上，在非GNSS RFFE链的输出处，信号没有被调谐到准确载波频率处，但是这一频率移位残差是恒定的并且公知的，并且可以软件处理的。这一实施例在类GNSS信号的波形不与标准GNSS波形兼容时也是有利的。
图3f代表根据本发明的接收机的另一个实施例，其应用于接收机包括一个或两个用于处理GNSS和非GNSS信号的芯片组并且类GNSS信号的波形与标准GNSS波形兼容的实施例。在这一实施例中，该接收机不需要任何修改，因为添加了额外的RFFE链324用于将接收到的非GNSS信号从其载波频率变换到GNSS频率(例如，在图3f中，从大约2.4GHz的Wi-Fi载波频率到大约1.6GHz的GNSS载波频率)。GNSS RFFE链312的输入与这一信号一起馈入，这样类GNSS信号能够作为标准GNSS信号被进一步处理。这一额外RFFE链能够被插入该接收机中，或者能够采用可被插入该接收机中的额外设备的形式。该RFFE链能够实现在该接收机中，或者作为可插入该接收机的外部模块。
图4a到4d代表根据本发明的定位系统的各个实施例。
GNSS定位系统的准确度主要依赖于两个标准：发射机的同步性，以及该非GNSS系统提供的覆盖。
关于覆盖，本发明利用现有网络架构。由于GNSS接收机必须接收至少四个类GNSS信号以计算其位置，因此感兴趣区域的每个位置必须由使用相同载波频率的至少四个类GNSS信号发射机覆盖。如果该定位的一些不确定性是从使用专用信号的其它设备或传感器(例如时钟或高度计)得到的，则类GNSS信号的数量可以低于四个。相反，在类GNSS信号和额外设备的数量低于四个时，仍然可以确定部分定位速率和时间：可以基于一个类GNSS信号来执行低准确度时间确定，这一确定的准确度随着接收到的类GNSS信号的数量而增加。
由于类GNSS信号是扩展的，因此它们能够在接收机一侧被获取和解调，即使以非GNSS信号不一定具备的特性，即较低或非常低的载波与噪声比率。因此，考虑到类GNSS信号链路预算与先前提到的特性一致，发送类GNSS信号的非GNSS网络的覆盖需要被评估。考虑该非GNSS通信系统的唯一一个接入点可见范围内的接收机然后可能在考虑类GNSS通信系统时处于更多接入点的可见范围内。
图4a示出根据本发明的定位系统的一个实施例，其中，多个非GNSS发射机401到407(例如Wi-Fi发射机)被部署在房间410中并且配置为广播类GNSS定位消息。房间410可以是仓库、商店、购物中心、建筑物、停车场、隧道、船舶、飞机或任何其它室内环境，其中，至少一个接收机411正在搜寻定位信息。
图4a是这一实施例的举例说明，并且不应该解释为限制性地，因为房间410可以是一个或多个设施，并且发射机可以位于设施之外，例如在本发明是使用3G通信网络的资源实现时。在城市环境中，实际上靠近多个基站是很常见的。由于它们的接近性和发送的功率水平，从这一基站发送的类GNSS信号的接收功率水平应该高于从卫星发送的GNSS信号的接收功率水平。此外，这些站呈现已经实现方法的优势。因此，手机运营商可以有利地考虑根据本发明将其一些资源分配给定位信号的传输。
关于发射机的准确性，为了提供最可能的准确性，相同的导航消息必须由不同非GNSS发射机在精确的相同时间发送。为此，标准GNSS网络的卫星嵌入原子时钟。这些设备的成本使得这一解决方案在需要大量设备的规模下无法予以考虑。
因此，在根据本发明的定位系统的第一实施例中，接入点可以连接到公共时钟412，交付用作发送该定位消息的参考的时间信息。这一连接可以是，例如同轴电缆、双绞线电缆、光纤上的以太网链路、电力线通信(PLC)、无线连接或任何其它适用的手段。在这一实施例中，该时钟不需要达到很高的稳定性表现水平，因为每个发射机在该参考时钟上的开放环路中是同步的。实际上，如果该时钟移位，所有接收机将跟随该时钟移位，对定位准确度没有任何后果。有利的是，在该公共时钟和发射机通过电缆连接起来时，该电缆的电长度可以是类似的，或者它们的传输延迟校准过。
这一解决方案需要精确的非GNSS网络初始校准。但是，发射机的同步可以通过利用接入点的主要使用是提供到公共网络412的接入这一事实来实现的。这一网络可以用于将这些设备相互同步。该公共网络可以是互联网、局域网或通信网络本身。该同步可以考虑，例如NTP协议(网络时间协议的首字母缩略词)之类的同步机制完成。
除了计算伪范围，该接收机需要知道各个发射机的位置以确定其相对于发射机的位置的位置。这一确定是根据本领域的技术人员公知的技术，基于三角定位完成的。该发射机的位置可以包含在类GNSS信号的导航消息中，或者通过非GNSS网络发送。在后者情况中，所述类GNSS信号的星历信息不需要是完整的，并且这一字段可以被取消或由其它数据或填充替代。该最后定位的准确度实际上依赖于发射机的位置的准确度。
这些发射机的位置可以使用全球坐标系统，比如ECEF坐标(地心地固坐标系的首字母缩写)，或使用局域坐标，即指的是建筑物中的参考点来记录。在发射机的位置是使用全球坐标系统记录时，该接收机能够从其相对于发射机的位置的位置成功确定其在这一全球坐标中的位置。在该发射机的位置是局域坐标时，如果该参考点的ECEF坐标是从接收机知道的，则该局域和ECEF坐标是针对该接收机即刻方便地可用的。
图4b示出根据本发明的定位系统的另一个实施例，其中，一个或多个参考接收机位于房间410中的公知位置处。在初始校准阶段，或者常规地并且针对每个发射机，这些参考接收机从类GNSS信号计算伪范围和残差，即预期的伪范围(使用该发射机的位置和参考发射机的位置计算的)和观测到的伪范围测量之差。关于可以应用于该发射机使其与其它发射机同步的移位的延迟可以从这一残差测量中计算出来。这一延迟在公共非GNSS网络上广播，这样任何一个发射机适配其传输时间，或者该接收机在计算伪范围时考虑该延迟。第一种情况只在发射机能够适配它们的传输时间时是可能的，而在第二中情况中，接收机必须能够基于接收到的延迟调整计算出的伪范围，这意味着GNSS信号处理算法可以稍微不同于经典算法。
图4c示出根据本发明的定位系统的另一个实施例。在这一实施例中，发射机401到407被连接到一个或多个中央设备421，该中央设备具有GNSS定位信号接收能力422。该中央设备可以是任何有能力接收并解调GNSS信号，获取该导航消息并使用非GNSS通信网络将其发送给所有发射机的设备。这一中央设备可以是具有室外天线的一个或多个接入点(401到407)。
各个发射机的位置和关于卫星在GNSS通信系统中的位置的信息(由GNSS导航消息的星历和历书字段给出)通过所述类GNSS消息的导航消息或GNSS网络传输给接收机。
这一实施例尤其适用于混合的室内/室外操作，或者城市峡谷，缺少晴空并且衰减信号是快速GNSS定位的问题的地方。由于接收机已经有关于卫星位置的信息，因此该GNSS信号的获取可以在接收机从室内移动到室外环境时被非常快速地执行。该操作的典型情况是汽车驶出室内停车场或隧道。无需等待几十秒直到该GNSS接收机获得该星历并且计算其位置，在停车场中部署根据本发明的定位系统有助于快速获得GNSS系统卫星并提供几乎即时的定位。
GNSS信号的这一快速获得在类GNSS信号的发射机在GNSS接收机给出的时间信息上同步时得到进一步改进。
运行在图4c中所描述的环境中时，星历和传输时间是与GNSS通信网络同步的，根据本发明的接收机可以使用GNSS网络和非GNSS网络二者中发送的信号。这一实施例尤其有关接收机运行在城市环境中并且不在足够的卫星视线范围内以准确地计算器位置的情况。然后，该接收机可以将所述类GNSS信号用作GNSS信号的补充并选择或将所述类GNSS和GNSS信号加权组合以确定位置。信号的选择可以基于接收到的功率水平、信号起始点、载波噪声比、用户等效范围误差值(UERE)或任何其它有关信息。
图4d代表本发明的另一个实施例，其中，接收机411、413和414精确地知道时间和/或它们的位置。这些接收机可以或者是参考接收机(例如接收机413)、具有精确时钟的接收机(例如接收机414)、从GNSS定位系统获取时间和位置信息的接收机(例如接收机411)或者这些接收机的组合。在图4d的示例中，接收机411从卫星423到426发送的GNSS定位信号计算其位置。在这一实施例中，该时间信息和/或这些接收机的位置信息被视为参考时间/定位信息。这些接收机的每一个从获得的类GNSS信号和它们的参考信息计算残差测量，并且将所述残差发送给计算服务器427。如前所指示的，残差是预期的伪范围(使用接收机处可用的参考信息计算出的)和从类GNSS信号计算出的伪范围之差。
计算服务器427基于残差的加权平均(众包)来确定关于公共时间参考的类GNSS发射机401到407中的每一个发射机的时序误差。该加权因素可以与参考测量的准确度有关。在开放区域中，从GNSS系统获取的参考信息可能关于从任何时机信号获得的参考信号是更有利的，而该平衡在室内环境中可能是相反的。
由该计算服务器估计出的时序误差在非GNSS网络上被广播，这样或者接收机修改它们的传输时间，或者接收机在执行PVT计算时考虑这一信息。
本发明还包括用于在没有由GNSS网络覆盖的区域中部署并使用定位系统，或者用作GNSS系统的补充并且用于在这样一个区域中确定位置的方法。图5中代表的该方法使用图2a到图2f中描述的非GNSS发射机和图3a到3f中描述的非GNSS接收机。
该方法包括第一步501，使用非GNSS接入点发送类GNSS信号，为此使用初始分配给这一设备的所有或部分资源进行该非GNSS通信。
为了自给自足，该网络可以包含至少四个接入点，但是在部署作为GNSS定位网络的后备或中继时，或者在与基于特定信号和/或传感器从其它设备获取的定位信息组合时，该定位系统可以只包括一个发射机。
该非GNSS和类GNSS信号可以使用时分复用技术、频分复用技术发送或者替换地在相同频率上在相同时间被同时发送，然后所述类GNSS信号可以利用扩频的优势确保它的良好接收。
该方法包括步骤502，在配置为处理GNSS和非GNSS信号二者的接收机中接收所述类GNSS信号。发射机由它们的扩展码识别。各个发射机的位置通过类GNSS消息的导航消息或者通过非GNSS资源发送。该接收机使用非GNSS无线电链和GNSS计算电路(跟踪环路和信号处理算法)或专用计算电路处理所述类GNSS信号，并且使用所述类GNSS信号的到达时间确定伪范围。或者，该接收机的GNSS无线电链可以在将非GNSS信号变换到GNSS频率之后被馈入该非GNSS信号。
最后，该方法包括步骤503，使用从类GNSS网络起始的至少四个伪范围，或者在该网络与GNSS网络同步时与从GNSS信号确定的伪范围组合，计算位置、速率和时间。另外，需要的伪范围的数量在一些关于位置和时间的不确定性由其它信号/传感器给出时可以更少。根据本发明从类GNSS信号确定的一个或多个伪范围可以与其它信号或传感器测量组合以计算位置、速率和时间。
本发明提供多种优势，其中值得注意的是：
●根据本发明的定位网络可以快速并且容易地部署，由于只需要完成现有传输设备的最小化硬件或软件修改而成本很低，并且不需要开发和安装专用接入点，
●根据本发明的定位网络可以作为对GNSS定位网络的中继，以提供室内定位能力并提供快速的室内/室外转换，
●根据本发明的定位网络与广泛的通信标准兼容，只要它们提供足够的带宽宽度来发送调制的主波瓣(至少2MHz)，
●根据本发明的定位网络选择性地提供“按需”定位，只在从接收机请求时才发送该定位信号，
●根据本发明的定位网络提供加密PRN码和/或导航消息的能力，这样服务可以仅限制于授权用户用于专门目的，比如在商业或军事领域，
●根据本发明的定位网络使用靠近该接收机的发射机，其针对电子欺骗和拥塞提供固有的健壮性并且易于维护，
●根据本发明的定位方法只要求对现有接收机进行很小的修改，并且不要求开发新的设备，或向现有设备中插入消耗额外空间和功率的计算电路(比如无线电链、硬件和软件处理)，
●根据本发明的定位方法可以使用没有严格规定的频率载波部署，例如ISM带(由Wi-Fi使用的)。
虽然已经在使用Wi-Fi接入点发送类GNSS信号的定位系统的情况中详细描述了各个实施例，但是应该注意的是，本发明也可以应用于各种不同通信标准，只要它们提供足够的带宽和足够的范围以确保恰当的覆盖。本发明尤其与Wi-Fi信号一起使用时的室内定位的低成本解决方案相关，因为其受益于接入点的传输功率水平和广泛部署，但是它也能受益于类似3G、4G或DVB-T之类的网络的高传输功率水平和同步特性，这给它穿过墙壁和穿透建筑物的能力，或者受益于使用类似蓝牙技术的潜在发射机的庞大数量。本发明在这些通信系统中的应用基于这一应用中提供的设备和处理的普遍性。此外，本领域的技术人员应该很容易使用多于一个非GNSS通信网络发送所述类GNSS信号。
虽然本发明的实施例已经通过各个示例的描述举例说明，虽然这些实施例已经在相当多细节中描述了，但是本应用的意图并不在于将所附权利要求的方位约束或以任何方式限制在这些细节。因此，其更广泛方面中的本发明不仅限于示出和描述的特定细节、代表性方法和举例说明性示例。

Claims (16)

1.一种用于使用无线RF通信标准发送非GNSS无线RF信号(203)的接入点，所述接入点还配置为在不同于标准GNSS载波频率的载波频率上，在专用于所述非GNSS无线RF信号的传输的至少一个通信信道中发送类GNSS信号(213)，所述类GNSS信号包括由伪随机码(102)调制的导航消息(101)，其中，所述类GNSS信号和非GNSS无线RF信号二者是使用时分复用技术或频分复用技术中的一种复用在一起的。
2.如权利要求1所述的接入点，其中，所述无线RF通信标准是在Wi-Fi、蓝牙、3G、4G和5G标准中选择的。
3.如权利要求1到2之一所述的接入点，还包括用于生成类GNSS信号(211、212、213)的计算电路，以及用于将类GNSS信号和非GNSS无线RF信号组合到同一个信号中的组合器(214)。
4.如权利要求1到2之一所述的接入点，还包括用于生成代表类GNSS信号的比特流的计算电路(212、241、251)。
5.如权利要求1或2之一所述的接入点，所述接入点还配置为在非GNSS无线RF网络上接收命令时发送所述类GNSS信号。
6.如权利要求1或2之一所述的接入点，还配置为从GNSS信号获取导航消息，并且使用所述类GNSS信号和所述非GNSS无线RF信号中的一种向其它接入点发送所述导航消息。
7.一种用于实现一种用于使用由至少一个非GNSS无线RF接入点发送的类GNSS信号确定一个区域(410)上的位置的方法的接入点基础设施，所述接入点基础设施包括根据权利要求1到6之一的至少一个接入点(401到407)，配置为使至少一个类GNSS无线RF信号可以在所述区域的任何位置处接收到。
8.如权利要求7所述的接入点基础设施，其中，所述接入点在公共时间参考(412)上同步。
9.一种配置为接收使用时分复用技术或频分复用技术中的一种复用在一起的GNSS和非GNSS无线RF信号的接收机，所述接收机还配置为在不同于标准GNSS载波频率的载波频率上，在专用于所述非GNSS无线RF无线信号的通信信道中接收至少一个类GNSS信号，所述类GNSS信号包括由伪随机码(102)调制的导航消息(101)，以及使用所述类GNSS信号确定所述接收机相对于接入点的位置的位置。
10.如权利要求9所述的接收机，其中，所述接收机的所述位置是使用至少四个所述类GNSS信号确定的。
11.如权利要求9所述的接收机，其中，所述接收机的所述位置是使用所述至少一个类GNSS信号和从其它装置获取的信息确定的。
12.如权利要求9到11之一所述的接收机，还包括用于接收和处理GNSS信号的前端模块(312)和计算电路(313)，还包括用于接收和处理非GNSS无线RF信号的前端模块(310)和计算电路(311)，所述接收机配置为使用所述非GNSS无线RF前端模块(310)接收所述至少一个类GNSS信号。
13.如权利要求12所述的接收机，其中，所述接收机配置为使用所述GNSS计算电路(313)处理所述至少一个类GNSS信号。
14.一种用于从使用多个非GNSS无线RF接入点(401到407)发送的类GNSS信号确定位置的定位系统，所述定位系统包括：
·根据权利要求7到8之一的接入点基础设施，以及
·根据权利要求9到13之一的至少一个接收机(411)。
15.如权利要求14所述的定位系统，其中，至少一个接收机(411)配置为从伪范围测量计算伪范围残差，所述伪范围测量是从类GNSS信号和参考信息获取的，以及将所述伪范围残差发送给负责计算相对于所述接入点的延迟并且使用所述非GNSS无线RF信号发送所述延迟的计算服务器(427)。
16.一种用于部署定位系统的方法，所述定位系统包括配置为使用无线RF通信标准发送非GNSS无线RF信号的至少一个接入点，以及配置为接收GNSS和非GNSS无线RF信号的至少一个接收机，所述方法包括：
·在不同于标准GNSS载波频率的载波频率上，在专用于非GNSS无线RF信号的传输的至少一个通信信道中从配置为发送非GNSS无线RF信号的至少一个所述接入点中的至少一个接入点发送类GNSS信号的第一步骤(501)，所述类GNSS信号包括由伪随机码(102)调制的导航消息(101)，所述类GNSS信号和非GNSS无线RF信号二者是使用时分复用技术或频分复用技术中的一种复用在一起的，
·在专用于所述非GNSS无线RF信号的所述传输的至少一个通信信道中由所述接收机接收所述类GNSS信号，并且确定相关联的伪范围测量的第二步骤(502)，
·使用所述伪范围测量计算相对于所述接入点的位置的位置的第三步骤(503)。
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