CN108693546A - 以优化精度因子发射定位信号至漫游者的中继载运工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中继载运工具的群集，该中继载运工具包括导航信号的接收机和至多个漫游者操纵的服务区域的定位信号的发射器，其中，中继载运工具的位置可以被调整以优化定位信号的SNR或DOP指数中的一个或多个。在一些实施例中，中继载运工具的群集的最优配置可以基于分配给漫游者的优先级指数来进一步限定。本发明适用于分别由空中或船舶中继载运工具服务的陆地或水下漫游者。

Description

以优化精度因子发射定位信号至漫游者的中继载运工具
技术领域
本发明涉及用于中继GNSS信号的载运工具。更具体地说，本发明的GNSS中继器的位置可以被(可能实时)调整，以改善由终端用户接收机接收的中继信号的质量。
背景技术
导航接收机的使用在日常生活中变得越来越普遍。汽车的车载电子设备、智能手机、平板电脑包括导航接收机，并且在其上运行的应用捕获终端用户的位置和轨迹信息作为输入是更常见的。
导航接收机依靠由地球中轨道卫星发射的L波段RF信号，所述卫星通常被包括在包括数十个卫星的群集中以覆盖地球的大部分地表，诸如GPSTM(美国)、GalileoTM(欧洲)、GlonassTM(俄罗斯)和BeidouTM(中国)。这些群集用GNSS(全球导航卫星系统)的通用首字母缩写来表示。
GNSS载波信号由允许计算接收机和特定卫星之间伪距的伪随机码和导航消息而调制。使用至少四个伪距，可能计算接收机的位置、速度和时间(PVT)。
PVT测量受许多误差的影响，其中一些误差对于所使用的测量原理是固有的(由于RF信号通过大气-电离层和对流层的传播延迟变化，由于卫星轨道的变化)，对于接收机和卫星的不完美(例如时钟偏差)是固有的，或者对于在时间中的某个时刻视野中的卫星的一些配置(即卫星在地平线上的上升；可见卫星的色散低-精度因子(dilution)即DOP高)是固有的。使用仅适用于某些类型的接收机的特定的处理技术，可以使用许多修正来减轻这些误差。例如，双频接收机可以用从几十米到几米的精度增益来减轻电离层误差，当与然后提供精密单点定位(PPP)-几十厘米的精度-的精准卫星轨道和时钟相结合，则会更好。差分GPS和实时运动学解从外部信息(相对于具有已知位置的多个固定参考站的相对定位)的整合以提供相似的精度。
以一致且有效的方式缓解取决于接收机位置的一些误差是更加困难的，特别是当该位置被反射和/或减弱导航RF信号和/或屏蔽一些在时间中某个时刻应该处于视线(LOS)中的卫星的多个物体包围时。在这种通常被称为GNSS多路径环境的情况下，在获取GNSS信号时以及在跟踪所述信号时，所有其他误差原因相等，PVT的计算精度可以相当差。
在城市峡谷(即高层建筑物之间的街道)中，多路径不仅会增加确定卫星伪距的误差(用户等效距离误差或UERE)，还会增加精度的(几何)因子(GDOP或DOP)，因为天线的视场将变窄，从而限制可能来自使用附加卫星的精度的增加。
UERE中的劣化是由于跟踪环路获取或跟踪的特定卫星的信号损伤。卫星的跟踪依赖于所获取的代码信号与特定于每个卫星的代码信号的接收机所生成的多个本地复制品之间的相关函数的最大化。相关函数将被多路径损坏，可能无法正确获取或可能丢失所述卫星。即使仍然可以实现信号跟踪，信号损伤将影响相关函数的形状，从而劣化伪距估计和UERE。
许多缓解技术依赖于增加相关件的数量来改善扰动环境中接收机的性能。取决于载波信号的波形，还可以添加信号处理技术的多种变体。它们可以提高用于在接收机视场(FOV)中的卫星的伪距测量质量，但不会改善这些在视线中卫星的数量或其高程的偏差。因此，即使使用复杂且昂贵的接收机，在接收机的FOV减小的任何类型的环境中DOP也将变差。
本发明公开了克服先前引用的缺点的解决方案。
发明内容
为此，本发明公开了一种配置成在表面(地表)水平处或之上导航的载运工具，该载运工具包括：导航信号的接收机；一个或多个发射单元；处理器；其中，所述一个或多个发射单元被配置为基于由导航信号的接收机接收的导航信号确定所述定位信号，向位于所述表面水平处或之下的漫游者发射代表载运工具的位置、速度或时间中的一个或多个的定位信号；并且处理器被配置为基于包括所述载运工具相对于至少一个漫游者的相对定位的优化的标准来执行导航命令获取或计算中的一个或多个以导航所述载运工具。
有利地，本发明的载运工具是海平面载运工具，漫游者是水下漫游者，并且一个或多个通信链路是声学和光学中的一个或多个。
有利地，本发明的载运工具是空中载运工具，并且漫游者是地面水平漫游者。
有利地，一个或多个发射单元使用通向漫游者的RF或光学下行链路中的一个或多个。
有利地，本发明的载运工具还包括一个或多个接收单元，其使用来自其他空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个的RF或光学上行链路中的一个。
有利地，处理器从其他空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个获取导航命令。
有利地，处理器从其他空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个获取至少一个漫游者的位置并从中计算的导航命令。
有利地，导航命令考虑代表向至少一个漫游者发射定位信号的载运工具的数目、相对于表面水平的多个载运工具中的每个载运工具的高程或发射的质量中的一个或多个指数。
有利地，相对定位的优化是对于多个其他载运工具和/或多个漫游者执行。
有利地，对于多个其他载运工具和/或多个漫游者的相对定位的优化基于表面水平的形貌的先验知识执行。
有利地，对于多个漫游者的相对定位的优化基于对分配给载运工具的责任区域中的漫游者的相等处理。
有利地，对于多个漫游者的相对定位的优化基于对分配给载运工具的责任区域中的漫游者中的一个或多个的特许处理。
本发明还公开了一种定位方法，包括：导航在表面(地表)水平处或之上的载运工具；在载运工具装载的接收机上接收导航信号；与在表面处或之下的其他载运工具或漫游者中的一个或多个建立一个或多个通信链路；向所述漫游者发射表示所述载运工具的位置、速度或时间中的一个或多个的定位信号，所述定位信号基于由所述导航信号的接收机接收的导航信号而确定；基于包括所述载运工具相对于至少一个所述漫游者的相对定位的优化的标准在处理器处获取或计算导航命令以导航所述载运工具。
本发明足够通用以在不同类型的中继载运工具(relay vehicle)上实施，所述中继载运工具即重新发射定位信号至在地面上的服务区域中的漫游者(行人或载运工具)的空中载运工具或重新发射定位信号至潜水员或水下载运工具的船舶载运工具。
它也可以在许多不同的通信和/或处理结构中来实现。在一些实施例中，本发明可以仅使用下行链路将来自中继载运工具的定位信号发射至漫游者。在这些实施例中的一些中，中继载运工具的定位基于先验来确定。
在一些其他实施例中，可以使用中继载运工具和漫游者之间的对称下行链路/上行链路来实现本发明。下行链路可以使用RF通信、光学或声学介质。在一些水下实施例中，上行链路可以使用线缆通信介质。在又一些其他实施例中，上行链路可以是基站或单个中继载运工具，其将将从漫游者接收到的或其处理过的信息重新发射至其他中继载运工具。在多个这些实施例中，中继载运工具中的一个可以是配备有处理能力的主中继载运工具，以计算由其他中继载运工具执行的全部或部分导航命令以优化整个配置的DOP和/或SNR(信号噪声比)。在这种类型的结构中，中继载运工具的群集的成本可以显着降低。在这些实施例中，可以使用不同的算法来优化在漫游者处接收到的定位信号的DOP和/或SNR。
在一些实施例中，在程序中对所有漫游者进行相等处理以优化中继载运工具的位置。在一些其他实施例中，一些漫游者可以被授予特许。
由于其多功能性，本发明可适用于多种使用情况。本发明也可以用于在被地震破坏的地区向救援人员提供精准定位，即使在困难的环境中(包括从RF干扰的角度来看)。它可用于在水下救援或搜索作业过程中指导潜水员或无人水下漫游者。它也可以用于困难的城市区域中，诸如在城市峡谷，特别是当要求高真实性和/或高准确性时，提供定位服务，例如用于指导自动驾驶汽车。它可能用于定位在檐篷下或树木或各种环境附近的人员或设备。
附图说明
通过阅读以下仅以非限制性实例给出的具体实施例的详细描述，将会更好地理解本发明及其优点，该描述是参照附图进行的，其中：
-图1显示了在其多个实施例中实现本发明的功能结构的示意图；
-图2a和图2b显示了图1的结构的两种变体；
-图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f示出了本发明的多个实施例中载运工具至漫游者通信链路的多种变型；
-图4a和图4b示出了在其多个实施例中实施本发明的中继载运工具的简化结构的多个变型；
-图5a、图5b和图5c示出了本发明的多个实施例中的中继载运工具和漫游者的相对定位的三种配置；
-图6显示了在本发明的多个实施例中限定中继载运工具的导航命令的方法的流程图；
-图7是用于实现本发明的通信链路的多个实施例中的信号损失的表格；
-图8a和图8b是代表根据本发明的多个中继载运工具的责任区域内的精度的几何因子及其变型的视图。
具体实施方式
图1显示了在其多个实施例中实现本发明的功能结构的示意图。
在多个区域中，GNSS定位可能受到低SNR、严重的多路径反射和/或高DOP的影响，使得来自直接GNSS定位信号的PVT计算的准确性会低。此外，从区域的一个点到另一个点的准确度可能变化很大，因为当从第一点移动到第二点时一些卫星的LOS可能丢失。在这些情况下，不可能保证导航解的真实性和可获得性。
根据本发明，提供了一种双层导航系统。层1由定位基础设施110形成。取决于位于地球表面处或之上的位置，定位基础设施可以包括多个卫星，所述卫星属于在GPS、伽利略、格洛纳斯、北斗或其他正在运行的群集或未来将部署的群集中选择的一个或多个GNSS群集。它也可能包含来自提供校正的星基增强系统(SBAS)的卫星，如Egnos。它也可能包含也可提供校正和/或参考测量的地基增强系统的地面站。用于实现本发明的接收机也可以被配置为接收伪卫星(例如由LocataTM销售的那些)发射的信号。在地球上的一些给定点和当天的给定时间，理论上由接收机可以使用超过50个发射定位信号的卫星/站。由于一些站在多于一个频率上发射定位信号，所以定位信号的理论数量仍然更高。因此，包含必要硬件和软件的接收机可以使用所有这些信号来确定其位置(需要提醒的是其中一些信号保留给授权用户，用于政府或商业应用)。
但是消费者或标准接收机很少具有足够的信道来处理可能可获得的所有信号。此外，在某些区域，可能无法在地面处正确地接收一些信号。另外，一些卫星可能对伪距测量提供有限的提高，因为它们与其他卫星对齐或几乎对齐(高DOP配置)。
这就是为什么根据本发明的多个中继载运工具101、102、103、104带来显着的优点：它们接收来自定位基础设施110的定位信号，构造新的导航消息并且通过导航信号使用通信下行链路121、122、123、124将它们重新发射至在结构的部分层2中漫游者130。在一些实施例中，导航消息可以在不同于导航信号的载波的通信链路上被发射到漫游者。
通信下行链路可以是RF、光学、声学、电缆。在本发明的一些实施例中，中继载运工具的发射器被配置为使用ISM频带(例如在433MHz、902MHz、2.4GHz或5.7GHz发射，这取决于所述区域)通过RF链路发射类GNSS信号。类GNSS意味着调制载波的信号被配置为再产生GNSS信号，并且导航消息可以由标准GNSS接收机解码。欧洲专利申请No.16306512.1公开了一种产生类GNSS RF信号的发射器，该申请转让给与本申请相同的申请人。
其他RF下行链路可以用于发射导航消息和/或导航信号。通过使用对定位领域的普通技术人员来说已知的方法在接收机处对发射器的位置进行三角测量，可以使用到达时间(TOA)和/或到达时间差(TDOA)和/或到达角(AOA)方法来计算漫游者的位置。
可见光通信(VLC)发射器和下行链路也可以用于发射导航消息和/或导航信号。欧洲专利申请No.16305407.5公开了这种发射器和相应的接收机，该申请转让给与本申请相同的申请人。
声学下行链路和发射器也可以被使用。
如已经解释的，包括中继载运工具的历表(位置和时间)的导航消息的载波可以不同于用于计算从接收机到中继载运工具的距离或伪距的导航信号的载波。此外，发射介质也可以是不同的：值得注意的是，这可能是水下定位的情况，其中导航信号可以在声学链路上发送，并且导航消息可以在将漫游者连接到定位在水面上的基站的电缆上发送。
图2a和图2b显示了图1的结构的两个变体。
在图2a上表示了可以被定位得足够靠近地面使得能够发射带有足够高的SNR的导航信号使得导航消息甚至可以在被遮盖的区域被接收的空中中继载运工具的配置。关于可能的距离的一些指示在以下关于图7的描述中进一步给出。空中载运工具可以是无人机、直升机、飞机、滑翔机、风筝、气球或任何类型的飞行平台。它们可以按照以下关于图4a所解释的进行配置。
尽管存在树241a、242a和243a，中继载运工具101、102、103和104可以使用具有足够高的SNR的通信下行链路121、122、123和124将其导航信号发射给漫游者130。可以使用更多的中继载运工具而不脱离本发明的范围。也可以使用较少的中继载运工具，例如，少至三个，如果漫游者制定的形貌具有相当恒定的高程，则计算其高程是无用的。
图2b表示定位在海上的船舶中继载运工具的配置。安装在船舶中继载运工具上的接收机可以是标准GNSS接收机，并且安装在船舶中继载运工具上的发射器可以被配置为发射声学或光学导航信号。船舶载运工具可以是动力浮标或不同类型的水面船只。它们可以如下面关于图4b所解释的那样进行配置。
尽管在漫游者上方存在水体240b，中继载运工具101、102、103和104仍然可以使用具有足够高的SNR的通信下行链路121、122、123和124向漫游者130发射其导航信号。可以使用更多的中继载运工具而不脱离本发明的范围。
这两个用例说明了本发明的关键优点之一：GNSS信号具有低SNR，而由中继载运工具发射的导航信号可以具有高得多的SNR。确实，在图2b的实施例的情况下，RF导航信号不能直接到达漫游者，除非它非常靠近海平面，而来自中继载运工具的信号将能够这样做。
图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f示出了在本发明的多个实施例中载运工具至漫游者通信链路的多种变型。
在图3a上示出了本发明的一个实施例，其中，空中中继载运工具的配置包括无人机301a、302a、303a、304a和305a。多个漫游者331a、332a、333a、334a、335a(在图中所示的用例中，漫游者是行人，但它们也可以是任何类型的陆地载运工具、例如卡车、汽车、自行车、摩托车等等)位于形成本发明的定位系统的服务区域的地表面340a上。无人机包括GNSS接收机(或其他导航信号接收机)。它们还包括使用通信链路的导航信号发射器。
在图上仅示出了到漫游者332a的通信链路321a、322a、323a、324a、325a，但也存在到其他漫游者331a、333a、334a、335a的其他通信链路。通信链路只是下行链路。在本发明的这个实施例中，不存在由其漫游者将其位置发射到中继载运工具的返回链路。因此，中继载运工具的位置必须事先确定。实现这个结果的方式是将中继载运工具以相等的间距定位在半球350a上。因此，导航信号的DOP将在群集的服务区域的中心是最佳的。如果表征服务区域340a的一些特征对于定位系统的管理者(人或机器人)是已知的，则中继载运工具的定位的一些变型可以由管理者实施。
在图3b上示出了本发明的另一个实施例，其中通信链路321b、322b、323b、324b、325b是双向的，即，下行链路和上行链路这两者。图中仅示出了从所有显示的中继载运工具到漫游者332a的通信链路，但也存在其他通信链路。下行链路与图3a所示的下行链路类型相同，即它们用于发射导航消息和导航信号。上行链路被配置为将来自漫游者的数据发射到中继载运工具的接收机。该数据可以包括PVT、DOP或SNR信息中的一个或多个。用于计算PVT的中继载运工具的数量也可以被发射。在一些实施例中，由漫游者的导航处理器的每个信道计算的伪距可以被发射到中继载运工具。
在图中未示出的本发明的一些实施例中，漫游者可以被组织在客户端/服务器结构中，其中一个漫游者是其他漫游者的服务器并且将所有漫游者的信息发射到中继载运工具。
在图3c中示出了本发明的另一个实施例，其中通信链路之一是与图3a的通信链路321a、322a、323a、324a、325a到漫游者332a相同的下行链路。上行链路通信不使用与图3b上相同的路线，而是使用到中继载运工具303a的特定路线(361c、362c、363c、364c、365c)。它们全部被发射到其中一辆中继载运工具303a。该中继载运工具通过通信链路371c、372c、373c、374c与其他中继载运工具连接。所述通信链路在图中被表示为双向的，但是在一些实施例中，它们可以是单向的，即，只有中继载运工具303a具有被配置为向其他中继载运工具发射的发射器，其他接收机仅需要接收机以捕获来自主中继载运工具的信号。当所有中继载运工具包含T/R模块时，虽然通信链路已被表示为分级网络，但它们也可形成网状网络。通过上行链路从漫游者发射到主中继载运工具303a的信息将与关于图3b所讨论的信息具有相同的类型。但是在这种情况下，只有部分信息可以被发射到其他中继载运工具，或者其他中继载运工具可能不需要任何信息，如果主载运工具被配置为从漫游者(并且可能来自监督中心)接收的信息而生成所有其他中继载运工具的群集的导航命令。
在图3d上示出了本发明的一个实施例，其中，船舶中继载运工具的配置包括定位在服务区域350d的特定用途水面载运工具301d、302d、303d、304d和305d。多个漫游者331d、332d、333d、334d、335d(在图中所示的使用情况下，它是水下特定用途载运工具，但它们也可以是任何类型的水下载运工具，例如潜艇，有人的或无人的)位于形成本发明的定位系统的服务区域的底表面340d的上方。水面载运工具包括GNSS接收机(或另一种导航信号接收机)。它们还包括使用通信链路的导航信号发射器。在该图中，只示出了至漫游者333d的通信链路321d、322d、323d、324d、325d，但是也存在到其他漫游者331d、332d、334d、335d的其他通信链路。通信链路只是下行链路。在图3d所示的实施例中，它们是声学通信。在本发明的这个实施例中，不存在漫游者将其位置由其发射到中继载运工具的返回路径。因此，中继载运工具的位置必须事先确定。达到这一结果的一种方式是将中继载运工具以等间隔放置在区域350d上。因此，导航信号的DOP将在群集的服务区域的中心是最佳的。如果表征服务区域340d的一些特征对于定位系统的管理者(人或机器人)是已知的，则中继载运工具的定位的一些变型可由管理者实施。
在图3e中示出了本发明的另一个实施例，其中通信链路321e、322e、323e、324e、325e是双向的，即，下行链路和上行链路这两者。图中仅示出了从所有显示的中继载运工具到漫游者333d的通信链路，但也存在其他通信链路。下行链路与图3d所示的下行链路类型相同，即它们被用于发射导航消息以及可能的导航信号。上行链路被配置为将来自漫游者的数据发射到中继载运工具的接收机。该数据可以包括PVT、DOP或SNR信息中的一个或多个。用于计算PVT的中继载运工具的数量也可以被发射。在一些实施例中，由漫游者的导航处理器的每个信道计算的伪距以及多普勒测量结果可以被发射到中继载运工具。
在图中未示出的本发明的一些实施例中，漫游者可以被组织在客户端/服务器结构中，其中，一个漫游者是其他漫游者的服务器并且将来自所有漫游者的信息发射到基站、总中继载运工具或全部中继载运工具。
图3f示出了本发明的另一个实施例，其中，通信链路之一是与图3d到漫游者333d的通信链路321d、322d、323d、324d、325d相同的下行链路。上行链路通信不使用与图3e相同的路线。它们全部通过特定的通信链路361f、362f、363f、364f、365f被发射到其中一个中继载运工具303d。在一个变体中，上行链路可以是到基站。该基站或主中继载运工具通过通信链路371f、372f、373f、374f与其他中继载运工具连接。所述通信链路在图上被表示为双向的，但是在一些实施例中，它们可以是单向的，即，只有中继载运工具303d具有被配置为向其他中继载运工具发射的发射器，其他接收机仅需要接收机以捕获来自主中继载运工具的信号。当所有中继载运工具包含T/R模块时，虽然通信链路已被表示为分级网络，但它们也可形成网状网络。通过上行链路从漫游者向基站或主中继载运工具303d发射的信息将与关于图3b所讨论的信息具有相同的类型。但是在这种情况下，只有部分信息可以被发射到其他中继载运工具，或者其他中继载运工具可能不需要任何信息，如果主载运工具被配置为从漫游者(并且可能来自监督中心，与基地台配置的或非配置的)接收的信息而生成所有其他中继载运工具的群集的导航命令。
在所有这些图上，中继载运工具由相同的符号表示。应该理解，不同类型的中继载运工具可以在相同的群集中操作。例如，一个或多个中继载运工具可能具有除中继定位信号之外的其他任务(救援直升机、电信中继器、监视无人机等)。这些有机会的中继载运工具可以在某些时刻用作定位中继载运工具，并且然后离开中继载运工具群集。
图4a和图4b示出了在多个其实施例中实现本发明的中继载运工具的简化结构的多个变型。
图4a表示无人机类型的空中中继载运工具400a。作为非限制性说明，它包括四个引擎411a、412a、413a、414a。它还包括定位信号接收机420，例如GNSS接收机。GNSS接收机可以是标准接收机。它可以包括向上看的天线组件421、422。天线组件可以是贴片天线的组合，其包括例如如图所示的两个元件，然而本发明绝不限于这种配置。在一些实施例中，天线组件可以被选择为能够形成辐射型，以便改善LOS中的卫星的相对SNR。这种类型的天线组件由被转让至与本申请相同的申请人的欧洲专利申请No.16305611.2和No.16306791.1所公开。天线组件也可以是受控辐射型天线(CRPA)，以提供抗干扰和/或防欺骗能力，特别是用于任务关键型系统。优选地，接收机420将具有多群集能力以增加从中选择的定位信号的数量。
空中中继载运工具400a还包括定位信号430a的发射器。在一些实施例中，发射器可以是RF发射器，例如在Wi-Fi或其他ISM频带中的一个中的类GNSS信号。发射器将具有向下看的天线装置(图中未示出)。向下看的天线装置可以包括一个或多个天线元件。单个天线元件可以是全向或定向的，或者至少具有其中绝大部分辐射功率被集中以将多路径反射限制到最小的优选FOV。天线装置还可以包括可以被配置为形成以适应辐射型的多个天线元件。在这种配置中，天线装置还可以包括一个或多个驱动电路。天线装置可以被配置成形成在第一平面中具有宽FOV的辐射型，该第一平面例如与城市峡谷的主纵向方向共线，并且在垂直于第一平面的第二平面内具有窄FOV平面。天线装置还可以包括由数字波束形成器驱动的天线元件阵列。辐射型的配置可以取决于中继载运工具的位置、形貌的构造和漫游者的位置。可以在天线控制单元或ACU(图中未示出)中准备基于这些参数改变天线装置的辐射型的命令控制。形成这种辐射型的天线装置的配置由在被转让给与本申请相同的申请人的专利申请No.16306791.1下提交的欧洲专利申请公开。
由于发射器将被配置为以最高可能功率进行发射，因此必须将其与GNSS接收机天线(或多个天线)隔离以避免扰乱其接收情况。例如，接收机可以包括隔离壳体或至少背板。
可选地，空中中继载运工具400a可以包括来自漫游者的上行链路信号，例如WiFi信号，的接收机(图中未示出)。该接收机可以与发射器组合在相同的模块430a中。备选地或附加地，空中中继载运工具400a还可以包括来自其他中继载运工具的信号的接收机(图中未示出)，其可以使用与来自漫游者的上行链路相同的频带或其他频带。来自其他中继载运工具的信号的接收机可以与上行链路接收机组合，或者可以是不同的。在一些实施例中，空中中继载运工具400a还可以包括以将信息发射给其他中继载运工具的发射器(图中未示出)。发射器可以与来自其他中继载运工具的信号的接收机和/或定位信号的发射器并置或不并置。
如下面结合图6所讨论的，空中中继载运工具400a可以包括用于计算导航命令以优化中继载运工具的群集的几何配置的处理器(图中未示出)。处理器接收来自漫游者的数据(用于计算PVT的中继器的数量、其PVT、漫游者的PVT、漫游者的DOP测量之一(参见下面关于图8a和/或图8b的细节)、漫游者的SNR和/或用于计算导航解的原始数据)以及可能来自其他中继载运工具的数据作为输入并且计算将避免劣化/改善DOP和/或SNR的几何形状。该计算可以由所有中继载运工具、由仅仅一些中继载运工具或由基站处的服务器来执行。如果每个中继载运工具计算出其自己的导航命令，则需要知道每辆其他中继载运工具的位置。它可以通过与这些其他中继载运工具(或其中一个)的通信链路或来自漫游者(由于漫游者接收整个中继载运工具群集的历表并将其用于计算其导航解，他们当然知道所有中继载运工具的位置)以接收这些位置。
图4b表示特定用途类型的船舶中继载运工具400b。
作为非限制性示例，船舶中继载运工具400b可以具有两个推进模块411b、412b。它将包括定位信号接收机420，该定位信号接收机将与空中中继载运工具400a的接收机相同，除了可能必须是防水的并且抗海水腐蚀的包装之外。这个接收机因此不会被进一步描述。
船舶中继载运工具400b还包括定位信号的发射器430b。在一些实施例中，发射器可以包括一个或多个声学发射器，例如类GNSS信号的。发射器将具有浸入海水中的向下看的声学传感器(图中未示出)。以上关于图4a所解释的变型也可应用于图4b的船舶载运工具，除了RF通信链路将由声学或光学通信链路取代之外。
另外，另一变型可应用于船舶中继载运工具的通信链路。经常，水下载运工具通过携带电力线和数据线的线缆连接到水面上的船或平台(图中未示出)。该数据线可用于发射群集的中继载运工具的历表，使得最小化声学下行链路上所需的通过量。数据线也可以用作计算中继载运工具最佳定位所需的来自漫游者的信息的上行链路。
图5a、图5b和图5c示出了本发明的多个实施例中的中继载运工具和漫游者的相对定位的三种配置。
有六个漫游者R1至R6位于每个图上的不同位置。括号之间的数字是由系统管理员归属至漫游者的优先级指数。在该实施例中，已经创建了三个优先级指数，从最低优先级1到最高优先级3。
在图5a上，漫游者R1至R6全部被分组在由所有漫游者接收到的定位信号的DOP可以被认为非常接近的距离内(参见在关于图8a和图8b描述的部分中对该距离的估计的以下评论)。因此没有必要考虑优先级指数。所有的漫游者可能被认为是相同的并且保持所述分组，所以中继载运工具群集的配置可以保持固定。
在图5b上，具有等于3的优先级指数的漫游者R4已经移出原始组。可以将四个中继辆载运工具V1至V4分配到漫游者R4的覆盖区域，同时保持剩余的6个中继载运工具V5至V10为具有较低优先级指数的其他漫游者提供服务。
在图5c上，具有等于2的优先级指数的漫游者R5也已经移出原始组，但是离漫游者R4有一定距离。因此，不可能同时将至少四个中继载运工具分配给优先级漫游者R4和R5，并且分配给具有最低优先级指数的漫游者。如图5c所示，一个合理的解是将六个中继载运工具分配给最高优先级漫游者R4，并将四个中继载运工具分配给中等优先级的漫游者R5。没有中继载运工具被分配给具有最低优先级指数的其他漫游者。在一些实施例中，具有不同优先级指数的中继载运工具到漫游者的分配也可以考虑结合所述优先级指数与在所述漫游者处的接收条件(DOP、SNR等)。例如，如果漫游者R4的接收条件非常好，而漫游者R5的接收条件不是很好，则尽管R4具有比R5更高的优先级指数，但可以分配6个中继载运工具至R5，并且可以分配4个至R4。通过这样的分配，在系统水平处接收条件被优化。如在前面的实施例中那样，没有中继载运工具被分配给具有最低优先级指数的漫游者。
在一些实施例中，优先级指数可以基于漫游者的任务的演变而动态地变化。这在军事、安全或救援行动的用例中很明显。它也可能在自主载运工具的情况下发生，其优先级指数可能因速度或其行驶车道的类型而异。
图6显示了在本发明的多个实施例中限定中继载运工具的导航命令的方法的流程图。
当中继载运工具的群集正在操作时，在步骤610，中继载运工具Vi中的每一个处理在每个时期的定位信号。在步骤620，中继载运工具的接收机预测其估计的在时间t+1的PVT。该估计基于下一个位置Pt+1的投影，所述投影基于位置Pt和时间t处的速度Vt。并行地，在步骤630，中继载运工具Vi的PVT(PVTt(Vi))通过下行链路被广播给地面上的漫游者。发射器430a、430b发射PVTt(Vi)。要注意的是，更新和发射PVTt(Vi)的速率可能低于定位信号的更新速率。例如，当中继载运工具和/或漫游者的动态性不太高时，PVTt(Vi)的发射频率可以是每10秒。当中继载运工具或漫游者中的至少一个的动态性显着时，可能需要例如1s的更新频率。
在步骤640，基于多个中继载运工具的定位信号(至少4或3个，如果高度不需要通过计算来确定)以及通过调制定位信号的载波或通过单独的信道来发射的历表，在区间[t，t+1]中确定每个漫游者Rj的PVT(PVT(Rj))。当定位信号是类GNSS信号时，PVT的计算基于用于每个中继载运工具的标准伪距测量值。可以基于定位信号的SNR和/或所述信号的质量指数来执行包括在PVT(Rj)的计算中的中继载运工具的选择，以消除在每个漫游者处接收的一些中继载运工具。在选择中也可以使用中继载运工具的最少数量和/或DOP指数。可以基于SNR的预定阈值、质量指数、中继载运工具的数量或DOP来执行该选择。
与PVT(Rj)的估计一起，可以针对每个漫游者估计在时间t+1处的其他定位数据。该数据可以包括表示DOP(xDOP(Rj))和SNR(SNR(Rj))的一个或多个值。可以使用不同的xDOP值，如在关于图8a和8b的描述中进一步解释的。也可以包括从中计算PVT(Rj)的中继载运工具的数量。
在包括从全部或一些漫游者到一个或多个中继载运工具的上行链路的本发明的实施例中，在步骤650，漫游者Rj将数据发射到基站BS或被选择的中继载运工具V0或者所有的中继载运工具Vi。基站BS可以是基于地或海的或由特定载运工具托管的，该特定载运工具是或不是该组中继载运工具的部分。
然后，在步骤660，计算表示由每个漫游者Rj通过上行链路发送的数据的值。该计算可以在BS处、中继载运工具V0处或每个中继载运工具Vi处执行。这些值可以是平均值(如图所示)。他们也可以是中点。平均值或中点可考虑从所有漫游者接收的数据，或者可执行选择以消除其值在预定范围之外的异常值。该范围可以动态地适应或保持恒定。被处理的数据基本上包括PVT数据、SNR数据和xDOP数据。可以对平均值或中点加权以考虑基于漫游者的任务而分配给漫游者的优先级指数k。以上关于图5a、图5b和图5c已经解释了这些优先级指数。
然后，在步骤670，将表示由每个漫游者发送的数据的所选值与阈值进行比较。在附图中表示的实施例中，所选值代表DOP和SNR，并分别与阈值T1和阈值T2进行比较。
测试确定是否表示DOP的值低于T1或者表示SNR的值高于T2。如果不是，则在步骤680模拟中继载运工具的新配置。如果是，则步骤690，保存中继载运工具的配置，或者，通过导航命令改变中继载运工具的配置，如果最后模拟配置不同于先前配置的话。
为了执行步骤680的模拟，可以使用本领域已知的多种方法。方法可以使用蛮力计算，其通过在预设限制内执行逐步移动来估计每个中继载运工具移动之后的DOP和SNR的新值。当表示DOP和SNR的新值与阈值T1和T2匹配时，算法停止。
当在具有足够处理能力的服务器的BS处执行时，蛮力计算可以是可能的。这主要是因为DOP计算需要对处理能力相当苛刻的矩阵反演。为了在具有有限处理能力的中继载运工具上执行计算，可能有必要在运行算法之前过滤可能解的空间。下面解释一些过滤选项，但是很容易理解的是，普通技术人员可以想到用于过滤可能解的空间的备选选项。
仅作为示例，为了增加定位信号的接收的SNR，每个中继载运工具的运动方向的确定可以基于在服务区域的3D地图中的射线投影算法以消除下行链路信号会撞到障碍的中继载运工具的位置。
为了减少定位信号的DOP，每个中继载运工具的运动的确定可以基于中继载运工具的配置的几何模拟，以消除将产生一种配置的中继载运工具的位置，所述配置中多个中继载运工具会对齐或几乎对齐。这种类型的算法在“A Recursive Quasi-optimal FastSatellite Selection Method for GNSS Receivers”(Min Liu，Beijing Institute ofTechnology，et al.ION GNSS 2009，2009年9月，Savannah，GA，USA)中公开。也可以使用一些人工智能程序来过滤可能解的空间。在“An Effective Method for GPS GDOPClustering Using Ant Colony Optimization”(M.R.Mosavi,Iran University ofScience and Technology,Asian Journal of Geoinformatics,VoL.10,N°4,2010)中公开了一种蚁群优化。
在执行步骤680之后，执行代表DOP和SNR的值的新估计(步骤640)。在执行步骤690之后，时间计数器增加(t＝t+1)。
图7是用于实施本发明的通信链路的多个实施例中的信号损失表。
为了实施本发明，确定在中继载运工具上将使用的发射功率是有用的。
图7的表格列出了两个载波频率(433MHz和2.4GHz)的损失，发射器Tx和接收机Rx之间的四个距离(0.1、1、10和100km)、Tx天线增益的两个值(0和3dB)和Rx天线增益的两个值(0和3dB)。损失值表明发射器的100mW的功率可以是足够的，因为与开放天空GNSS信号相比，它将提供20至50dB的余量，这将有助于覆盖由于在服务区域形貌构造的可能损失。而且，在大多数配置中，发射器和接收机之间的距离将低于1公里。
图8a和图8b是表示精度的几何因子和根据本发明在多个中继载运工具的责任区域中的其变型的视图。
精度的几何因子或GDOP是可乘以每个伪距测量的标准偏差的因子(用户等效距离误差或UERE)以确定接收机的3D位置和时间解的最终标准偏差。其他DOP也被限定：
-水平因子或HDOP为2D DOP的精度；
-精度的垂直因子或VDOP；
-精度的定位因子或PDOP，为结合HDOP和VDOP的3D DOP；
-精度的时间因子或TDOP。
在一些应用中，计算HDOP可能就足够。
附图示出了对于中继载运工具的特定配置的在服务区域中的多个位置处的GDOP的值。如图8a所示，漫游者820根据其至中继载运工具811、812、813、814和815的相对位置感知不同的GDOP。这些值由图8a右侧的刻度上的阴影表示。
图8b表示服务区域的各个位置到漫游者820所感知的GDOP的相对偏差，当所述漫游者位于绿色位置(服务区的中心)时。这表明在这种情况下，在绿色位置附近约100m的区域内，相对偏差低于10％。通过考虑局部偏差的余量，几乎可以肯定的是，在这种情况下，当服务区域的半径大约为50米时，通过获取在漫游者重心(bari-center)的GDOP值，对于该区域内的所有漫游者而言，对这个位置的GDOP优化将是最优的或准最优的。
本说明书中公开的示例仅仅是对本发明的一些实施方式的说明。它们不以任何方式限制由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (17)

1.一种载运工具(101)，其被配置为在表面水平(340a、340d)处或之上导航，所述载运工具包括：
-导航信号的接收机(420)；
-一个或多个发射单元(430a、430b)；
-处理器；
其中，
-所述一个或多个发射单元被配置为向位于表面下方或表面水平处的漫游者(130)发射表示载运工具的位置、速度或时间中的一个或多个的定位信号，所述定位信号基于由导航信号的接收机接收的导航信号确定；和
-所述处理器被配置为基于包括载运工具相对于至少一个漫游者的相对定位的优化的标准来执行导航命令获取或计算中的一个或多个来导航载运工具。
2.根据权利要求1所述的载运工具，为海平面载运工具，所述漫游者是水下漫游者，并且所述一个或多个通信链路是声学和光学中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的载运工具，为空中载运工具，并且所述漫游者是地面水平的漫游者。
4.根据权利要求3所述的载运工具，其中，所述一个或多个发射单元使用通向所述漫游者的RF或光学下行链路中的一个或多个。
5.根据权利要求3至4中任一项所述的载运工具，还包括使用来自另一空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个的RF或光学上行链路中的一个或多个接收单元。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的载运工具，其中，所述处理器从另一空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个获取所述导航命令。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的载运工具，其中，所述处理器从另一空中载运工具、漫游者或基站中的一个或多个来获取所述至少一个漫游者的位置，并由此计算所述导航命令。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的载运工具，其中，所述导航命令考虑到了表示向所述至少一个漫游者发射定位信号的载运工具的数目、所述多个载运工具中的每个载运工具相对于表面水平的高程或发射质量的一个或多个指数。
9.根据权利要求8所述的载运工具，其中，由所述导航命令考虑到的所述指数之一是在所述漫游者之一处接收的SNR。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的载运工具，其中，所述相对定位的优化是对于多个其他载运工具和/或多个所述漫游者执行。
11.根据权利要求10所述的载运工具，其中，对于所述多个其他载运工具和/或所述多个漫游者执行的所述相对定位的优化基于对所述表面水平的形貌的先验知识。
12.根据权利要求10所述的载运工具，其中，对于所述多个漫游者的所述相对定位的优化基于对分配给所述载运工具的责任区域中的所述漫游者的相等处理。
13.根据权利要求10所述的载运工具，其中，对于所述多个漫游者的所述相对定位的优化基于对分配给所述载运工具的责任区域中的一个或多个漫游者的特许处理。
14.根据权利要求13所述的载运工具，其中，责任区域被分配给三个或多个载运工具的组，并且所述特许处理由分配给多个集丛的优先级指数限定，每个集丛包括一个或多个漫游者，载运工具的该组的第一子组被分配服务给具有较高优先级的一个或多个漫游者的第一集丛，载运工具的该组的第二子组如果包括三个或更多的载运工具、则被分配给漫游者的第二集丛，如果不是，则分配给第一子组。
15.根据从属于权利要求5时的权利要求14所述的载运工具，其中，对于所述多个漫游者的所述相对定位的优化基于所述优先级指数与所述漫游者处的接收质量的指数的组合，所述质量指数表示xDOP或SNR中的一个或多个。
16.根据权利要求15所述的载运工具，其中，基于所述漫游者或所述载运工具中的一个或多个的投影移动，对所述质量指数进行投影模拟中的一个或多个之后，确定所述导航命令。
17.一种定位方法，包括：
-在表面水平处或之上导航载运工具；
-在载运工具装载的接收机上接收导航信号；
-与位于表面处或之下的其他载运工具或漫游者中的一个或多个建立一个或多个通信链路；
-向所述漫游者发射表示所述载运工具的位置、速度或时间中的一个或多个的定位信号，所述定位信号基于由所述导航信号的接收机接收的导航信号确定；
-基于包括所述载运工具相对于至少一个漫游者的相对定位的优化的标准在处理器处获取或计算导航命令以导航载运工具。
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