CN1115569C

CN1115569C - 定位系统及方法

Info

Publication number: CN1115569C
Application number: CN97192788A
Authority: CN
Inventors: 杰里·A·斯皮斯尔; 伦纳德·舒帕克
Original assignee: Discovision Associates
Current assignee: Discovision Associates
Priority date: 1996-04-05
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 2003-07-23
Anticipated expiration: 2017-01-29
Also published as: JP3421790B2; AU1847897A; JP2001507443A; CA2250900A1; CN1253628A; HK1024746A1; WO1997038326A1; RU2161318C2; IL126441A; EP0891561A1; CA2250900C; US5815114A; IL126441A0; BR9708492A; AU713642B2; US5952958A

Abstract

对一个位于标准的地面定位信号不能操作的场所下的物体进行定位的定位系统。第一实施例使用了GPS接收器和时钟恢复单元，计算机接收定位信息和准确的时间信息。计算机计算至少四个模拟卫星的新的轨道数据，模拟卫星是装在内部或屏蔽空间的天线，作用是向接收器发送模拟卫星数据。在第二个实施例中，不使用GPS接收器，而是将模拟卫星的位置提供给计算机。同时也提供精确的时钟信号。计算机计算每个模拟卫星的轨道数据并向模拟卫星发送时间信号和暂时数据。根据连接电缆长度不同而导致的传播的时间滞后，对每个模拟卫星的时间信号进行延时。

Description

定位系统及方法

技术领域

本发明基本上涉及一种测位或定位系统，特别是用于内部空间或屏蔽环境下对物体定位的系统。更准确地说，本发明涉及利用GPS(全球定位系统)型信号在屏蔽系统中测位定位的系统，但并不局限于下面的根据现行最佳实际方式描述的特别实施例。

背景技术

在已有技术中已经有许多被建议应用的装置和系统来完成近似的检测位置和定位。这些当中包括：例如，在Hochstein等人的美国专利No.5,311,185中所论述的装置，它是依靠发送器定期发送状态信号来完成近似检测的装置。发送接收器被固定在建筑物中某个位置以接收和发送信号。在Mufti et al.的美国专利No.5,363,425中带有射频发射机(RF)与识别标识相结合。射频接收机被装在建筑物中各个房间的电话中。识别标记的位置被判定是在具有最近的电话的房间内。在Anders et al.的美国专利No.4,656,463中公开一种无源发送接收器标记，它由一个有源发送接收器感测，这一近似控制系统形成了库存系统的定位、识别、运动测量的基础，就是通常所指的LIMIS系统。

以上举例所讨论的已有装置与系统直接用于近拟检测，这些设备通常使用射频(RF)发射机和射频(RF)接收机。通过对信号或信号强度进行检测完成近似测量。因此，现有的近似检测装置，缺乏精确测量某一物体位置的能力。

然而，现有的一种位置定位系统具有精确定位的优点，该系统叫做全球定位系统(GPS)。此系统包括许多环绕地球轨道运动的卫星，每个卫星都产生连续的带有许多有关轨道参数信息的时间分量和空间分量的信号。一个GPS接收机与经过编程的计算机配合，用于接收至少四个卫星信号并以此来判定该接收机的精确位置。该位置信息用经度、纬度和高度表示。GPS具有严格限制，它要求卫星与接收机间“可见”，这就意味着在最小卫星数量下不能与接收机之间产生障碍。所以，标准的GPS无法在建筑物内工作，因为GPS信号被玻璃，金属，枝叶，泥土，砖等各种引起信号反射的材料所阻碍。GPS信号最佳选择的环境是如平坦的沙漠，辽阔的海洋。因此，GPS在宽阔开放的空间有很多重要的用途。但现在在内部空间和屏蔽环境里还无法使用。

除了以上讨论的美国专利以外，其它有关外部信号的参考信息见Wesby美国专利NO.5,051,741；Simms等人的美国专利NO.5,334,974；Greenberg等人的美国专利NO.4,918,425。

在当今社会中，定位系统已被广泛认识到它在当今社会中变得越来越重要，在商业与工业中，精确定位或跟踪运动的人群以及库存或设备容量等资产材料具有普遍的需求。像世界贸易中心或庞大的工厂这样雇佣成千上万人的建筑中，通常需要对那些为达到其预期目的地而请求帮助的人们进行测位的能力，对于大的娱乐公园和高档旅游场所同样需要。而且，一般对于处在室内、室外、或两者之间移动的人群、物体和货物也有这种定位需求。以前所谈到的已有技术中的设备与系统不能满足这些需求，因为它们缺乏精度或不具备在屏蔽环境与内部空间里使用的能力。

所以，在下面公开的本发明出现之前，并没有人提出利用GPS或GPS型信号在内部空间或屏蔽环境中精确对物体或人进行定位的定位系统。

发明内容

因此，本发明的目的是改进测位定位系统。

本发明的另一目的是增加基于GPS的定位测位系统的应用场合。

本发明的进一步目的是使定位系统中采用的GPS信号不仅仅用于空旷和无障碍地区。

本发明还有一个目的是在定位系统中采用了GPS信号。

本发明进一步目的是采用GPS信号来精确定位位于内部空间的物体。

本发明还有另一目的是采用GPS信号来精确定位在屏蔽环境中静止或运动中的物体。

另外，本发明的目的是采用GPS信号来精确定位在屏蔽环境中的物体。

还有，本发明的另一目的是对于处于内部空间物体采用GPS信号来精确定位其作为时间函数的位置。

本发明还有一个进一步的目的是能够遥测物体或人的精确位置，这些物体或人可以是在高大建筑物内部，如：在多层办公楼、工厂、仓库里，也可以在制造和处理设施中，如：造船厂、炼油厂、或海上巨轮及飞机上。

本发明还有另一目的是遥测运动着的人的精确位置，这些人可以在主题乐园，娱乐场所，或其他高档的旅游地，这些地区可能对标准的GPS信号有屏蔽作用，所以需帮助这一地区的人达到其预期的目的地。

本发明另一目的是利用模拟卫星在内部空间或屏蔽环境中发送相应的GPS或GPS型信号。

本发明还有另一个进一步的目的是通过GPS或GPS型信号来精确定位处在内部空间或屏蔽环境下与无障碍空旷地之间运动的物体与人。

本发明附带的另一目的，是提供了在屏蔽环境中的定位系统。该系统包括：一个GPS接收机，用于接收GPS信号并发送导航数据；一个时钟恢复单元，用于接收导航数据并重组精确的时钟信号；一个计算机处理单元，用于接收精确时钟信号和导航数据；设置在屏蔽环境中的至少四个定位模拟卫星，这至少四个模拟卫星中的一个，相对其它模拟卫星在不同平面上。该计算机处理单元分别产生对应至少四个模拟卫星中的每一个的GPS型信号，每个GPS型信号都含有其相关每个模拟卫星的新的轨道参数。按照本发明的一个方面，被送至屏蔽环境中的GPS型信号被屏蔽环境中的接收装置接收。该接收装置具有发送定位信号的能力。在本发明的一个特殊装置中，又进一步提供了一个计算机和一个与其相联的定位接收器，该定位接收器被放在屏蔽环境内，接收来自接收装置的定位信号，这样计算机就可通过处理定位信号来判定定位接收器的精确位置。按照本发明的一个特殊应用，定位装置包括一个在屏蔽环境内运动的人随身携带的蜂窝电话或是一标识。

根据本发明的另一实施例，其中提供了一个用于工作环境中的个人定位与跟踪系统。该实施例包括：一个接收GPS信号和发送导航数据的GPS接收器；一个接收导航数据及重组精确时钟信号的时钟恢复单元；一个接收精确时钟信号和导航数据的计算机处理单元；以及设置在工作地环境中的至少四个模拟卫星，至少四个模拟卫星中的一个相对其他模拟卫星在不同平面上；其中，计算机处理单元产生分别相应于至少四个模拟卫星中的每一个的GPS型信号，每个GPS型信号都含有各自相关模拟卫星的新的轨道参数；接收装置，由在工作地环境内运动的个人携带，该接收装置具有发送定位信号的能力，被发送给工作环境的GPS型信号由该接收装置接收；计算机装置具有与之相联的定位接收器。定位接收器被装设在工作环境内以接收来自接收装置的定位信号，这样，计算机装置通过处理定位信号就可以判定带有定位接收器的个人的精确位置。

本发明的另一实施例是提供了用于仓储设施中的库存定位与跟踪系统。该实施例包括：一个接收GPS信号和发送导航数据的GPS接收器；一个接收导航数据及重组精确时钟信号的时钟恢复单元；一个接收精确时钟信号和导航数据的计算机处理单元；以及装设在仓库存储设施中的至少四个定位模拟卫星，该至少四个模拟卫星中的一个，相对其他模拟卫星在不同平面上；其中，计算机处理单元产生分别相应于至少四个模拟卫星中的每一个的GPS型信号，每个GPS型信号都含有各自相关模拟卫星的新的轨道参数；附设在仓储设施中的每个库存上的接收装置，该接收装置具有发送定位信号的能力，被发送给仓储设施的GPS型信号由该接收装置接收。该实施例中还包括一台带有定位接收器的计算机。定位接收器被放在仓储设施内，以接收来自接收装置的定位信号，这样，计算机装置通过处理定位信号就可以判定带有定位接收器的各个库存的精确位置。

本发明还有一实施例，提供了用于室内环境下的个人通信与定位的系统。该系统同样包括：一个接收GPS信号和发送导航数据的GPS接收器；一个接收导航数据及重组精确时钟信号的时钟恢复单元；一个接收精确时钟信号和导航数据的计算机处理单元；装设在室内环境中的至少四个定位模拟卫星，至少四个模拟卫星中的一个相对其他模拟卫星在不同平面上；其中，计算机处理单元产生分别相应于至少四个模拟卫星中的每一个的GPS型信号，每个GPS型信号都含有各自相关模拟卫星的新的轨道参数；接收装置与蜂窝电话相结合，由在室内环境内移动的人携带，该接收装置具有发送定位信号的能力，被发送给室内环境的GPS型信号由接收装置接收；计算机，包括与之相联的定位接收器，该定位接收器被设置在室内，用来接收来自接收装置的定位信号，这样，计算机通过处理定位信号就可以判定带有定位接收器的个人的精确位置。

本发明的另一实施例提供了一个组合定位系统，该系统对在屏蔽环境与无障碍空旷地间移动的物体位置进行定位。此系统包括：多个环绕地球轨道的全球定位卫星，每一个全球定位卫星发送一标准的GPS信号；第一GPS接收器，接收标准的GPS信号并发送导航数据；一个接收导航数据及重组精确时钟信号的时钟恢复单元；一个接收精确时钟信号和导航数据的计算机处理单元；装设在屏蔽环境中的至少四个定位模拟卫星，至少四个模拟卫星中的一个相对其他模拟卫星在不同的平面上；其中，计算机处理单元产生分别对应于四个模拟卫星中的每个的GPS信号，每个GPS型信号都含有各自相关模拟卫星的新的轨道参数；接收装置，附设在移动物体上，该接收装置具有发送定位信号的能力，被发送进入屏蔽环境的GPS型信号由接收装置接收；带有与之相联的定位接收器的计算机，该定位接收器设置在屏蔽环境内，接收来自接收装置的定位信号，这样计算机通过处理定位信号就可以判定带有定位接收器的屏蔽环境内的移动物体的室内精确位置。该实施例也提供了附设在移动物体上的第二GPS接收器，当物体处在无障碍空旷地时，第二个GPS接收器接收标准的GPS信号，以便精确定位带有第二个GPS接收器的移动物体的精确室外位置。

本发明的另一实施例是关于内部定位系统的，该系统具有一个GPS接收机用于接收GPS信号并发送NAVDAT数据；一个接收NAVDAT数据及重组精确时钟信号的时钟恢复单元；一个接收精确时钟信号和NAVDAT数据的计算机，该计算机具有计算至少四个模拟卫星的模拟数据的能力，模拟卫星能依据该模拟卫星数据发送模拟卫星数据信号，用于判定内部位置，该实施例进一步包括：接收模拟卫星数据信号的第二GPS接收器，所述第二GPS接收器使用模拟卫星数据信号来判定第二GPS接收器的内部位置；及第二GPS接收器与计算机间通信链路，该链路为双向系统，既具有中继第二GPS接收器到计算机的能力，又具有中继计算机与第二GPS接收器的信息的能力。

本发明的另一方面，提供了一种内部定位系统的方法。该方法包括如下步骤：接收GPS信号；根据GPS信号重组精确时钟信号；从所述接收的GPS信号，产生导航信息；利用该导航信息计算至少四个模拟卫星的轨道参数；当计算轨道参数时，增加对所述导航信息的补偿；利用重组的时钟信号和至少四个模拟卫星的轨道参数来发送模拟卫星数据信号；其中，所述至少四个模拟卫星中的一个与其它模拟卫星不处于一个平面上。该方法还包括根据到各个模拟卫星的不同传输时间延迟重组时钟信号。

本发明还有一个方面，提供了一内部定位系统。该系统包括：至少四个模拟卫星的物理位置的位置数据；一个提供精确时钟信号的时钟单元；一台用于计算从所述位置数据和时钟信号导出的模拟卫星数据的计算机，一台与计算机通信的发送器，它用于发送由模拟卫星数据产生的模拟卫星数据信号。该实施例还包括第二GPS接收器用于接收模拟卫星数据信号，第二GPS接收器能通过模拟卫星数据信号判定其内部位置。该实施例的一个具体实例是进一步提供了第二个GPS接收器与计算机间的通信链路，该链路可以为双工系统，具有中继第二个GPS接收器与计算机间位置的能力，又具有中继计算机与第二个GPS接收器信息的能力。

按照本发明的方法的另一实施例可按如下步骤进行：第一，借助至少四个模拟卫星提供定位信息，然后，提供一个精确时钟信号，接着，通过位置信息计算每一个模拟卫星的模拟卫星数据，接下来，发送模拟卫星数据和精确时钟信号，然后，发送精确时钟信号，该精确时钟信号对于每个模拟卫星因其传送延迟而被相应地延迟。

通过下面所述本发明的某些较佳实施例的说明及其附图，本发明进一步的目的以及附加提供的特点和所带来的好处将更为明了，在附图中，相同的部分都用相同的标号表示。

附图说明

图1是已有技术中的全球定位系统的示意图。

图2为本发明的内部定位系统的实施例的示意图。

图3为本发明的内部定位系统的另一实施例的示意图。

图4为本发明的内部定位系统的又一实施例的示意图。

图5为本发明的内部定位系统的硬件连接框图。

图6为现有内部定位系统的软件连接流程图。

图7为本发明的内部定位系统的实施例整体结构的框图。

图8为进一步描述图7所示时钟恢复单元的详细框图。

图9为本发明所使用的关于调制器的详细框图。

图10为本发明如下面实施例一所述具有内部定位系统结构的详细示意图。

图11为本发明与图7相似的内部定位系统的另一实施例整体结构的框图。

具体实施方式

现开始参见图1，它显示的是已有技术中的全球定位系统10，系统10所示的是目前使用的NAVSTAR全球定位系统，它包括环绕地球28的轨道运行的多个卫星12-26。实际全部使用了24个。轨道卫星12-26分别向地球28传送信号30-44。信号30-44包含两种信息，第一种信息为精确时间编码信息，第二种是极其精确的编码位置信息。例如，放在45位置的GPS接收器，通过测量任何四个GPS信号间的不同并计算每个卫星的空间距离或范围，来判定其精确位置。然后，接收器利用这些数据和已知的每个卫星的位置来判定自己在空间或地球表面的位置。有关NAVSTAR全球定位系统的更全面的描述可见Bill Clarke所著的“GPS飞行员指南”及Tom Logsdon所著的“NAVSTAR全球定位系统”。其中已提到了这里所说的包括了这里所提到的已有技术的部分。然而，这种GPS系统，并不能用于多种场合，例如如下场合：大楼结构内，具有各种高大建筑物的市区环境内，水下、茂密森林中及地下。

现在看图2，它表示本发明的内部定位系统46的实施例。图2显示了一个建筑物47有一个第一房间48，第二房间50和第三房间52。图2描述了内部定位系统46的三种不同用途。在进一步详细讨论内部定位系统46的有关部件之前，先简明讨论这些不同用途。

第一种用途，标识64能判定其内部位置。标识64可装一可选发送器(未表示出来)以报告该标识64的位置。第二种用途是指示器66能将自己的内部位置与另一已知物体如电视机68的相对位置相联系。通过建立两物体间的相对位置，指针矢量可被确定。第三种用途如图所示的蜂窝电话70，它能够精确判定其位置，且使用该定位信息能得到极大的好处。

与上面所讨论的第三种用途有关，目前在考虑，不久的将来用卫星对指定蜂窝地区的指定电话来完成定位束搜索。为了这种先进的漫游蜂窝电话系统具有良好的作用，蜂窝电话必须能在整个不同地区判定其位置并与该信息联络。在这种方式下，处于洛杉玑基站的蜂窝电话可以在纽约市使用，这里的蜂窝电话70能够具有此项功能。当自我定位的蜂窝电话70活动在纽约市时，蜂窝电话70报告其内部位置或外部位置因此能够在新的地区使用。按照本发明，这里提供了内部定位系统接收器的多种结构。例如，蜂窝电话70，包括一个标准的GPS接收器，它提供了与蜂窝电话功能相接的接口。标识64和指示器66可以包括一个较特殊的接收器，它能响应多种信息，其中包括下面所述的GPS型信号。这些信息可以包括诸如地址、邮编、地区代码等等特殊信息以便具有特殊的系统功能。

继续参见图2，举例来说，GPS卫星16-22将GPS信号34-40分别指向建筑物47。信号34-40与一个接收和传播系统54通信。接收和传播系统54将相关的GPS信号传播给内部天线或模拟卫星56-62，如图，模拟卫星56-62在48-52的每个房间里都放置了一套。如图2所示的内部定位系统46的实施例，采用4个信道来发送新的与模拟卫星56-62的实际位置相关的轨道数据所调制的RF GPS型信号，调制的格式与标准的GPS信号的格式一样。所包含的特殊数据是由内部定位系统46内部产生，接收与传播系统54对这些信号进行适当的改变以便可以进行位置补偿。下面结合图10讨论位置补偿的实例。

房间48-52最好彼此电子绝缘，这保证了内部定位系统的信号从一个房间无法传至另一房间。当房间48-52彼此不能电子绝缘时，只需安装一套56-62的模拟卫星。也可考虑在两个或多个不同房间之间分享或共用一个模拟卫星。本发明在这方面做了描述，如图2所示。模拟卫星62由房间50和52共用。这一共用即使在两个房间彼此电子绝缘时也可以使用。只要RF载波频率或其它载波频率能够穿透墙壁，内部定位系统46就能在任何一个或多个房屋的建筑物中使用。另外，四个模拟卫星最好放在房间相互呈对角线的角落位置以使彼此间距离最大，从而使这种内部定位系统46的定位能力的准确度最高。

如图2和3所示，利用标准GPS接收天线78，标识64和蜂窝电话70能够判定它们内部的位置。接下来，要详细讨论接收与传播系统54。

传播系统54具有一计算机处理单元55，该单元将每个标准的GPS信号34-40转换成相应的或内部GPS型信号，该信号包括GPS时间部分和带有新的轨道参数的位置部分。这一过程的更进一步的详细描述见下。由处理单元55产生的GPS型信号都分别硬连接到每一个相关的和相应的模拟卫星上，所以，处理单元55产生的新的轨道参数与每个相应模拟卫星相对于所在房间的位置的精确物理位置有关。此内部定位系统46最少需要四个GPS卫星，每个都发送标准的GPS信号，相对应的最少四个模拟卫星，每个都经硬线连接并接收由处理单元55所提供的调制过的GPS信号，由于在内部定位系统46中最少要有四个相对应的模拟卫星，因此一个模拟卫星相对其它模拟卫星必须是非共面的，这一要求见图2和图3所示，模拟卫星62与模拟卫星56，58，60不在同一平面上。

继续描述内部定位系统46，每个模拟卫星56，58，60，62分别产生一个信号57，59，61，63，并被分别传送到电子绝缘房间内。标识64和蜂窝电话70都装有接收器，用于接收信号57，59，61，63。其结果，标识64与蜂窝电话70依次将准确位置发回给装有接收天线73的计算机系统72，计算机系统72带有处理软件，能够计算标识64或蜂窝电话70相对于其所处的内部或屏蔽环境中的精确位置。该定位信息可以以任何想要的形式打印或显示在监视器上，如楼层和房间号。另外，可以考虑为每个特定的环境、建筑物、或地区开发特制的网络，编入计算机系统软件中，以便按照已知的地区和区段或其它图表及勘察坐标输出定位数据。因此，在这一应用中，计算机系统72的操作员可以判定大楼内部装有标识64或蜂窝电话70的人员的位置，在个人携带电话70时，计算机操作员根据个人基站可以迅速地与其通信。

应该明白，本发明并不限于用在标识64或蜂窝电话70上，还可用于无线寻呼机、笔记本电脑、个人数字助手、手表、机器人、库存或许多其他的存储物体或在特殊环境下移动的人随身携带的物品上。另外，最好不在每个房间里都装有计算机系统72。在本实施例中，房间之间相互电子绝缘，每个房间装有一个接收器73。在这种情况下，所有的接收器73都与单个的计算机系统72相连，计算机系统可以放在指定位置，甚至可以放在距装有内部定位系统46的环境或大楼几英里或几百英里以外的地方。

现在见图4，它表示的是指示器66与电视68的详细关系。在此之前，我们假定使用的各种设备与电视是交互使用的，这种设备包括触摸屏、鼠标控制器、远端控制器等等。它利用内部定位系统46将指示器66和电视68联系起来，指示器66最好是一个具有定位判定的能力的接收器，例如，陀螺仪。通过以上所述方式，通过判定电视68与指示器66的位置，可以实现指示-定位(pointed-to-location)80。该指示-定位用在电视影像的相互联系上有很大的优势。

图5所示的是接收与传播系统54的硬件。天线78用来接收GPS信号30-44，然后，天线78与功率放大器82联接，功率放大器82用于放大并重发到接收器84的信号。接收器84用于选择适当的GPS信道来解调、解码、计算时间和导航数据(NAVDAT)。GPS接收器84用于判定接收天线78的位置。计算机处理单元55用来管理来自多路传输器96、频率转换器98和分频器102的信号。差分GPS参照接收器112要相对地球28运动的内部定位系统46的任何一个实施例中，用于完成不同的GPS计算。通过使用时间的差分GPS，可实现高分辨率，高准确度。按照这一操作方式，比较每一系统的位置，汇总大量测量的比较结果进行平均以给出较精确的参考定位。

在接收与传播系统54中，处理过程是由计算机处理单元55完成的，该处理过程包括计算与多路传输定位补偿，登录运动情况，记录每个标识64或蜂窝电话70的历史。当有需要时，这一处理过程也包括内部定位系统46所提供的差分GPS信息。这一较好的处理软件见图6的流程图，图5的其它方面将在下面结合图7做进一步详细论述。

现在参见图6，它显示的为内部定位系统46运行的一个软件实施例。应该明白，内部定位系统46也可以使用各种其它特点的和软件实施例，下面的实施例只是一个示意性的，这里并不局限于所举例的范围内。在该实施例中，处理过程的起始状态为初始框122。在框124和框126中GPS接收器84与GPS差分接收器112被初始化并校正。报告状态软件框128接收来自GPS接收器84和差分GPS接收器112的状态，然后，调整数据与保持有关历史信息的标识64或蜂窝电话70的信息保持文件相互作用，一旦产生了新的报告状态，启动历史文件132就包含了迁移活动的最新位置。轮询控制面板功能框134驱动数据显示数字136，它的作用是象一个操作员控制监视站一样，显示各种物体的定位位置。登录动作标记文件框138与文件框140相互作用不断地监视定位位置。一个查阅软件模块142与计算机处理单元55的操作系统相互作用。软件框或软件模块144和146将变化记录到内部定位系统46的历史文件中。该系统的历史文件最好一直被保留以用于判断位置。状态框148是可选用的，当采用所需的指定系统装置时，它用于对接收自差分接收器112的信息进行差分GPS处理。接收更新模块150接收来自差分接收器112的更新位置，传送数据模块152将处理数据传送给指定位置。

参见图7，它显示了一个特殊卫星组16-22，它带有如前结合图1和图2论述的有关标准的GPS卫星信号34，36，38，40。每一个卫星16-22连续播发自己独特的编码信息，每一个相关卫星信号34-40都包含有三种基本部分的信息结构。

三种基本部分中，第一种为粗获得码信号或叫C/A码，这种粗获得码信号是一个1.023MHz的载波，它使用的是二进制的相位移键控或叫BPSK进行相位调制并用伪随机码分别传播至每个卫星16-22。伪随机码是一个固定的二进制位系列，具有1023比特的长度，卫星16-22使用指定的和特定的编码算法传播。该编码算法在有关GPS文献中已很明确地定义了。

标准的GPS信号中的三种基本部分中的第二种是精确编码信号，或叫P编码，该精确编码是经PBSK在10.23MHz下调制成的，该精确编码是一个伪随机编码，它极长并含有指定的与C/A编码相似的卫星识别数据。

最后，标准的GPS信号中的三种基本部分中的第三种是卫星数据。该卫星数据同时经过精确编码和粗获得码在每秒50比特下进行调制，再经过BPSK调制。卫星数据包括几类信息，最相关的是每个GPS卫星的暂时数据，它是用于描述在惯性座标系中的卫星轨道路线，该惯性座标系是以地球引力中心或叫做COG为基础的，北天极定义为Z轴并穿过COG，且赤道平面与Z轴垂直并横贯COG。卫星的轨道参数被定义为赤经、斜度、近地点幅度、半长轴、离心率以及时间和平均近点角等特定参数。所有卫星的年历数据也包括在卫星数据中。

如图7所示GPS接收器84通过使用卫星信号43-40计算精确的定位信息，GPS接收器84使用来自至少四个卫星16-22的数据来计算自己的位置。然而如果考虑增加其它卫星就必须向最少选择四个信号的GPS系统中增加数据。GPS接收器84决定每个卫星的伪范围并为使用者提供经度、纬度和高度的位置信息。伪范围的测量中有两种主要的影响其精确的因素，它们包括时钟定时误差和传送变化。GPS接收器通过一个RS 422数据串口输出NAVDAT数据信号164，该NAVDAT数据信号164包括导航数据和GPS年历数据。该导航数据包括经度、纬度、高度和一天的时间，GPS年历数据包括GPS周数、卫星运行状况及年历的暂时数据。

现在继续参见图5和图7，时钟恢复单元106接收包括一个粗时间信号和一个接收器时钟振荡器信号的NAVDAT数据信号164。时钟恢复单元106输出一个精确的10.23MHz时钟的时钟信号166，该时钟非常精确与原子钟标准相当。

计算机处理单元55使用精确时钟信号166和NAVDAT数据信号164及操作员另外提供的数据，这一附加数据帮助确定每个模拟卫星位置的物理补偿值。本发明的一个方面是传送来自每个模拟卫星或天线56-62的卫星信息的GPS型信号，因此，由于标准的GPS信号已被修改为与每一个环绕地球的模拟卫星的轨道有关的包含新的轨道信息，这些天线在此被认为就是‘模拟卫星’。物理补偿与时间补偿由计算机处理单元55加入，将联系图10进行比较详细的讨论。GPS型信号168，170，172和174分别为每个模拟卫星56，58，60和62提供粗获得码，精确码和卫星数据。调制器83通过BPSK调制将这些信号合成在一起，重新生成RF载波。模拟卫星数据信号176，178，180，182分别是模拟卫星56，58，60和62的驱动信号。

本发明所采用时钟恢复单元106较详细的在图8中显示出来。时钟恢复单元106接收来自GPS接收器84的NAVDAT数据信号164。时钟恢复单元106生成相当于原子钟标准的精确的时钟信号166。时钟恢复单元106利用普通的锁相环提供了10.23MHz的频率合成。多个商业使用的GPS附属设备将完成时钟恢复单元106所需要的功能。例如，惠普58503A可提供精确时信号166。

现在可参考图9对调制器86作进一步详细描述，计算机处理单元55生成GPS输出信号168，170，172，174，它们包含粗获得码，精确码，卫星数据和精确的时钟信号166。精确的时钟信号166与乘法模块184的数值154相乘产生L1载波信号186。P码，卫星数据码，粗获得码经异-或处理电路190处理，产生BPSK输出信号192和194。BPSK输出信号192与L1载波信号186在RF调制器196中结合产生信号198。BPSK输出信号194与由信号184衍生出的相移信号在RF调制器197中混合，产生信号200。如图9所示，信号198与200相加产生与模拟卫星56有关的模拟卫星数据驱动信号176，含在GPS型信号里的卫星数据包含有描述模拟卫星轨道的暂时数据，这些数据描述了模拟卫星的轨道，因此，标准的GPS接收器可用其计算。另外，卫星数据里还包含指定系统所需要的任何特殊信息。

下面为内部定位系统46的一个特例，下面将参照图10进行详细描述。

例1：图10显示的为内部定位系统46详细例子，其中假设房间204的宽度w为200米，长度1为300米，高度h为20米。假设房间204墙为北、南、东、西的平行四边形，其内部定位系统46使用的同轴电缆的传播速率为0.6。在该例中，要对模拟卫星56，58，60，62的经度、纬度、高度系数及时延进行计算。模拟卫星56与位于房间204西南角上部的接收与传播系统54的距离为5米，在其南侧；与GPS接收与传播系统54的高度相同。模拟卫星58在GPS接收与传播系统54的北侧与其距离为295米，比它低20米。接在模拟卫星58上的同轴电缆的长度为315米。模拟卫星60水平距GPS接收与传播系统54北侧295米，东侧200炎。模拟卫星60与GPS接收与传播系统54相连的同轴电缆的长度为495米。模拟卫星62距GPS接收与传播系统54向南5米，向东200米，向下20米。连接模拟卫星62的同轴电缆为225米。天线电缆206的长度并不影响内部定位系统46的工作，因为出现在每一频道导致单一时钟偏移的情况已经抵消了。所以，来自图5的GPS接收器84的NAVDAT含有天线的正确位置。由于GPS接收器84位于天线78的正下方，所以，不需要对其经度与纬度进行效正。天线78在此位于接收与传播系统54的上面30米，所以，每个模拟卫星56，58，60，62都装设了固定的-30米的高度补偿。模拟卫星56，58，60，62的位置用天线78做参照，以经度、纬度、高度三维来表示，这些实际的距离是预先测量的。角度修正用于计算轨道参数，该参数被传送在卫星数据中由模拟卫星56-62发射出去。利用角度测量转换来计算这些角度补偿。进一步，时延的计算与电缆长度和传播系数有关。时延用于控制计算机发送每一帧数据的时间。举例来说，对于一个200米的同轴电缆其时延比同类型的100米的同轴电缆要大。在这种情况下，计算机处理单元55用200米的同轴电缆发送数据帧时，要比100米的同轴电缆早发。使用各种长度不同介质的同轴电缆其时延与时间控制同样地由计算机处理单元55完成。图10所假设的房间204的特殊补偿见下表一：

表一

模拟卫星	56	58	60	62
模拟卫星	56	58	60	62	经度，角度精确到分	-.000548	0.0323	0.0323	-0,000548
纬度，角度精确到分	0	0	0.002646	0.002646	经度，角度精确到分	-.000548	0.0323	0.0323	-0,000548

高度，单位为米	-30	-50	-30	-50
高度，单位为米	-30	-50	-30	-50	时延，纳秒	2.775	174.825	274.725	124.875

依据上面这些补偿，计算机利用特定的方法，计算每个模拟卫星56，58，60，60的参数，这一方法包括以下步骤：

1.将经度、纬度、高度和时间转换为内部定位系统的暂时数据格式。

2.在指定寄存器中存储数据以便延迟时间重新发送给输出端。

3.排列伪随机编码号并计算轨道参数。

4.增加其它的内部定位系统格式数据，包括遥测数据，交接字符(handovre word)，以及每一个传统的接收器所需要的数据。

5.将附加的数据安排给每个有指定接收器功能的模拟卫星数据字符中。

现在参见图11，详细说明内部定位系统46的另一实施例。在这一实施例中，GPS接收天线78，电源放大器82，GPS接收器84被忽略了。代替使用标准的GPS信号30-34，每个模拟卫星56，58，60和62的位置以经度、纬度和高度参数形式被直接输入给计算机处理单元55。例如，这一数据可从监视者的测量中得到。时钟恢复单元106可被精确时钟代替。标准的精确时钟可以采用如原子钟，WWV钟和美国海军观测站时钟。在这一实施例中，没有GPS接收器84，计算机操作员直接将位置数据提供给计算机处理单元55，计算机处理单元55和模拟卫星56-62的其余操作与上面描述的一样。

通过参考确定的较佳的实施例，已经对本发明进行了详细的描述，应该明白本发明并不限制在这些实施例中。相反，根据本发明以目前最好模式实施的方式公开的内容，本领域的普通技术人员可以做出各种变化和修改，但都未超出本发明的范围与实质。因此，本发明的保护范围是由后述的权利要求书而不是由前面所述实施例来确定。在权利要求范围和实质基础上产生出的所有变化、修改和变形都包括在权利要求书范围内。

Claims

1.在屏蔽环境中使用的位置定位系统，所述系统包括：

接收GPS信号、发送编码于其中的导航数据的GPS接收器；

利用所述导航数据构成时钟信号的时钟恢复单元，该时钟信号精确地表示一地域时间；

接收所述的精确时钟信号和所述的导航数据的计算机处理单元；及

定位在屏蔽环境内的至少四个模拟卫星，上述至少四个模拟卫星中的一个相对其它模拟卫星不在同一平面上，其中所述计算机处理单元分别产生一个与上述至少四个模拟卫星中的每一个相对应的GPS型信号，所述GPS型信号包含与每个对应的模拟卫星相对应的新的轨道参数。

2.如权利要求1所述的位置定位系统，其特征在于所述GPS型信号被发送给所述屏蔽环境中，由其内部的接收装置所接收，所述的接收装置能够发送位置信号。

3.如权利要求2所述的位置定位系统，进一步包括计算机装置和与此有关的定位接收器，所述的定位接收器位于所述屏蔽环境中，接收来自所述接收装置的所述位置信号，以便所述定位接收器的精确位置可以被所述计算机装置通过处理所述位置信号来确定。

4.如权利要求2所述的位置定位系统，其特征在于定位装置包括蜂窝电话。

5.如权利要求2所述的位置定位系统，其特征在于所述定位装置包括一个在屏蔽环境中由运动的个人随身携带的标识。

6.用于工作地环境里的个人定位与跟踪系统，所述系统包括：

接收GPS信号、发送导航数据的GPS接收器；

接收所述导航数据并重新建立精确的时钟信号的时钟恢复单元；

定位在工作地环境内的至少四个模拟卫星，上述至少四个模拟卫星中的一个相对其它模拟卫星不在同一平面上，这里所述计算机处理单元分别产生一个与上述至少四个模拟卫星中的每一个相对应的GPS型信号，上述相应的GPS型信号包含与每个对应的模拟卫星相对应的新的轨道参数；

由在工作地环境内运动的人携带的一个接收装置，所述接收装置能发送位置信号，所述GPS型信号被发送至工作地环境内，由所述接收装置接收；而且

计算机装置，具有与之联系的定位接收器，该定位接收器在所述的工作地环境中接收来自所述的接收装置的位置信号，以便由所述计算机装置通过处理所述的位置信号来判定携带所述定位接收器的个人的精确位置。

7.用于仓储设施中的库存定位和跟踪系统，所述系统包括：

一个接收GPS信号并发送导航信号的GPS接收器；

时钟恢复单元接收所述导航数据并重新建立精确的时钟信号；

计算机处理单元接收所述精确时钟信号和所述导航数据；

定位在仓储设施内的至少四个模拟卫星，上述至少四个模拟卫星中的一个相对其它模拟卫星不在同一平面上，其中所述计算机处理单元分别产生一个与上述至少四个模拟卫星中的每一个相对应的GPS型信号，上述GPS型信号包含与每个对应的模拟卫星相对应的新的轨道参数；

装设于所述仓储设施中的各库存上的一个接收装置，所述接收装置能发送位置信号，所述的GPS型信号被发送至该仓储设施内，由所述接收装置接收；

计算机装置，具有一个与之相联的定位接收器，所述的定位接收器位于所述仓储设施中，接收来自所述接收装置的位置信号，从而所述计算机装置通过处理所述位置信号来判定该带有所述接收装置的各库存的精确位置；及

8.用于室内环境里的个人通讯和定位系统，所述系统包括：

接收GPS信号、发送导航数据的GPS接收器；

定位在室内环境内的至少四个模拟卫星，上述至少四个模拟卫星中的一个相对其它模拟卫星不在同一平面上，这里所述计算机处理单元分别产生一个与上述至少四个模拟卫星中的每一个相对应的GPS型信号，上述所说GPS型信号包含与每个对应的模拟卫星相对应的新的轨道参数；

一个与在室内环境中的个人所携带的蜂窝电话相结合的接收装置，所述接收装置能发送位置信号，所述GPS型信号被发送至工作地环境内，由所述接收装置接收；而且

计算机装置，具有与之联系的定位接收器，该定位接收器在所述的室内环境中接收来自所述的接收装置的位置信号，以便由所述计算机装置通过处理所述的位置信号来判定携带所述定位接收器的个人的精确位置，所述蜂窝电话提供了一个人与所述计算机装置的操作员相联系的通讯链。

9.用于定位一个运动于屏蔽环境与无障碍开阔地之间的物体的组合的定位系统，所述系统包括：

多个环绕地球轨道的全球定位卫星，所述每一个全球定位卫星都发送标准的GPS信号；

第一个GPS接收器接收该标准的GPS信号并发送导航信号；

计算机处理单元接收所述精确时钟信号和所述导航数据；

定位在屏蔽环境内的至少四个模拟卫星，上述至少四个模拟卫星中的一个相对其它模拟卫星不在同一平面上，其中所述计算机处理单元分别产生一个与上述至少四个模拟卫星中的每一个相对应的GPS型信号，上述GPS型信号包含与每个对应的模拟卫星相对应的新的轨道参数；

装设于所述运动物体上的一个接收装置，所述接收装置能发送位置信号，所述的GPS型信号被发送至屏蔽环境内，由所述接收装置接收；

计算机装置，具有一个与之相联的定位接收器，所述的定位接收器位于所述屏蔽环境中，接收来自所述接收装置的位置信号，以便当所述运动物体处于该屏蔽环境内时，所述计算机装置通过处理所述位置信号来判定该带有所述接收装置的运动物体的室内精确位置；及

附在所述移动物体上的所述的第二GPS接收器，该第二GPS接收器当该物体在无障碍开阔地时接收标准的GPS信号，从而得到带有该第二GPS接收器的运动物体的室外精确位置。

10.一内部定位系统定位系统，所述系统包括：

接收GPS信号、发送导航数据的GPS接收器；

接收所述的精确时钟信号和所述的导航数据的计算机处理单元，所述计算机能计算至少四个模拟卫星的模拟卫星数据，这些模拟卫星能传送由该模拟卫星数据构成的卫星数据信号，所述模拟卫星数据信号用于确定内部位置。

11.如权利要求10所述的内部定位系统，进一步包括一第二GPS接收器，用于接收所述模拟卫星数据信号，该第二GPS接收器能利用所述模拟卫星数据信号确定所述第二GPS接收器的内部位置。

12.如权利要求11所述的内部定位系统，进一步包括用于在所述第二GPS接收器和所述计算机之间通讯的装置。

13.如权利要求12所述的内部定位系统，其中所述的通讯装置是一个能向所述计算机转发所述第二GPS接收器位置和能向所述第二GPS接收器转发来自所述计算机的信息的双工系统。

14.提供一个内部定位系统的方法，包括下列步骤：

接收GPS信号；

重建来自该GPS信号的精确时钟信号；

从所述接收的GPS信号，产生导航信息；

利用该导航信息计算至少四个模拟卫星的轨道参数；

在计算该轨道参数时，增加对所述导航信息的补偿；

利用该重建的时钟信号和至少四个模拟卫星的轨道参数来传送模拟卫星数据信号，

其中，所述至少四个模拟卫星中的一个与其它模拟卫星不处于一个平面上。

15.如权利要求14所述的提供内部定位系统的方法，进一步包括步骤：根据到每一个模拟卫星的传播时间的不同而延迟所述重建的时钟信号。