CN1305592A - 建立网络定位系统(nps)的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一个网络定位系统(NPS)使用从地面低成本定位单元设备的GNSS同步网络发射的类似GNSS信号。这些定位单元设备被用于确定卫星被遮蔽环境下的绝对和相对位置,因而允许GNSS和NPS之间的无缝转移,例如室外到室内。定位单元设备是自集成的,从而允许毫不费力地将定位单元设备集成到GNSS和NPS网络中。

Description

建立网络定位系统(NPS)的方法和设备
本发明一般涉及定位系统，其中未知位置上的目标或用户从多个信源接收信号并使用从其中提取的信息确定该目标或用户的当前位置。更具体地说，本发明涉及一种定位系统，它使用与全球导航卫星系统(GNSS)同步的自集成定位单元设备在卫星被遮蔽的情况下进行高精确度的位置确定。
精确定位某人或某物在地球表面上所处位置的需要经常吸引着人类。实际上，可得出位置的精确度和可预测性是评价文明技术进步的标准。随着时间的流逝，通过六分仪和天文钟、惯性系统、LORAN、TRANSIT和最新GPS的不断发展，人类已经改进了陆地定位和导航。
由美国政府建立的24个卫星的GPS星历广播与星载原子时钟同步的精确定时信号。使用精确完善的公式，同时从三个或者更多卫星接收信号的用户接收机可以确定他在绝对全球坐标中的位置，即经度和纬度。已经证明GPS对于位置确定是有利的，因为它是全球可用的，相当精确，并且对于终端用户是免费的。
尽管技术的完善性，GPS依然受到几种严格的限制使它不能在用户级别上被广泛地使用。首先，GPS信号强度要求卫星相对于接收机是“看得见的”。这意味着在卫星和接收机之间不可以存在物质障碍。其次，GPS准则要求至少看得见三个卫星以确定一个二维位置(即经度和纬度)，和至少看得见四个卫星以确定一个三维位置(即经度、纬度和高度)。这两个主要缺点共同导致在诸如“市区”的多建筑物区域内GPS可靠性严重降低，并且显然在所有建筑物内部或在屏蔽环境中标准GPS将不起作用。因此，在大部分世界人口居住的大城市环境中GPS的使用是很有限的。
令人惊讶的是GPS进一步的用户限制来源于它的全球可用性和它的高精确度潜力。在它原先的形式中，GPS具有提供大约15米精确度的能力。美国政府开始关注由于敌人武器有效负荷的精确发送，他们自己的卫星系统可能被用于反对美国的可能性。因此，民用GPS网络的信号广播相对于更高的精确度的加密美国军方信号被故意地降低。通常称作选择可用性(SA)的这种降低将可以被民用的原始精确度降低到大约100米2dRMS。
在克服SA的一种努力中，为局部区域内的民间用户开发了一种称作差动GPS(DGPS)的系统。DGPS能够向移动用户提供几米的精确度。然而，DGPS要求建立昂贵的本地广播站。移动用户还必须购买无线电接收机形式的额外设备以获取对他们的GPS接收机的DGPS校正。称作实时运动(Real Time Kine manic(RTK))的最新发展允许从GPS系统的精确度被提高大约一厘米。同时，这种精确度对于多种可能应用是非常有用的，RTK几乎遍布高技术学科，例如大地测量学、地质勘查和物理学。RTK接收机比标准GPS接收机贵得多。RTK系统要求非常规的本地发射机，并且在可以确定RTK精确位置之前根据复杂度可能需要花费10个小时获取静止信号。RTK所需的费用等级和所需要的专用设备和技术严重地影响RTK被消费者使用或者商用。
总之，GPS使现代定位和导航的需要受益非浅。然而，GPS最好在旷野、沙漠或远洋化境中使用。在市区它是绝对无用的，并且从未将它设计在室内使用。而且，如果在多建筑区域内最好获得足够的GPS信号，结果位置的解决方法也因为SA被显著地减低以致于可以证明在限制的区域内几乎无法使用。如果这种情况下的用户希望通过DGPS或RTK方法提高精确度，仅可以通过相当大的努力、昂贵和相对复杂的基础设施来实现。
在现有技术中描述了克服这些困难的尝试。已经开发了一种结合绝对定位系统(例如GPS)和相对定位系统的混合系统。这种方法包括当卫星被遮蔽时结合“推算定位”的惯性传感器系统(美国专利US5,311,195)或者当卫星被遮蔽时执行“δ相位定位”的商业无线电广播传输(美国专利US 5,774,829)。
不幸的是，这些现有技术具有多个缺点。推算定位显示了扩展使用的累积误差，并且推算定位和δ相位定位的精确度受初始绝对定位精确度的限制。因此，所有初始位置的不精确性将通过随后的定位解决方法延续。δ相位位置的精确度将受原先存在的商业无线电广播传输站的几何结构限制。如由粗纱(Roving)接收机所看见的较差几何结构将产生差的定位结果。另外，δ相位定位的精确度受传输信号频率/波长的限制，由此较低频率(即较长波长)产生较低的精确度。而且，δ相位粗纱接收机需要商用无线电广播传输站坐标的现有知识。最后，δ定位除了商用无线电广播传输之外还需要标准接收机和数据链路。美国专利US 5,774,829将该数据链路作为信息放置在商用无线电广播传输信号SCA信道上。这实际上将需要数以千计的商用广播站合作，产生实质的后勤问题。
还知道在现有技术中试图使用伪卫星或者“preudolites”增强或增加标准GPS星历。伪卫星是发射类似GPS信号的地面发射机。伪卫星由美国国防部为了Phase I GPS测试在亚利桑那州尤马试验场于1977年首先使用。它们被用于在有足够的导航卫星之前增加测试用户设备用的GPS星历。在1984年，Klein和Parkinson首先指出伪卫星对于操作GPS系统、改善导航可用性和诸如航空等要求严格的应用可以是一个有用的助手。在1986年，Parkinson和Fitzgibbon开发和论证了用于为测距伪卫星发现最佳位置的程序。同样在1986年，开发第一个本地DGPS系统标准的RTCM-104委员会推荐了一种通过伪卫星发射DGPS信息的方法。
伪卫星当前是昂贵的设备并且产量极小。它们通常在GPS L1和L2频率上发射它们的信号，所以它们一般需要管理批准以便操作。因此，大学、政府机构、军方和大型公司中的实验组通常使用伪卫星。因此这些设备虽然已经被公知了很长一段时间，在普通定位和导航中它们很少被使用。该现有技术反映了伪卫星有限的可用性。
几个企业已经使用伪卫星增强局域GPS信号。伪卫星设备的航空应用的典型例子是美国专利US 5,572,218，它描述了一种将伪卫星放在飞机进场航路下方跑道终点上的伪卫星。这成功地允许极快的整数循环模糊分解，生成非常精确的定位。美国专利US 5,375,059代表类似Caterpillar的公司如何将伪卫星应用于露天采矿，这是这些设备的多种典型应用中的一种。这些系统使用本领域公知的常规本地伪卫星/基准站。
美国专利US 5,686924“带有固定伪卫星基准发射机的本地定位导航系统”和美国专利US 5,708,440“用于未授权频率的伪卫星译码器”(都授权给了Trimble等人)共同表述了本地GPS信号的增加。这个本地系统没有对伪卫星/基准站的一体化进行明确的规定，因此，缺少用于精确位置确定的时间相干性的基本必要条件。
一种现有技术的参考是在室内具体生成GPS信号。美国专利US5,815,114(Speasl等人)描述了一种在完全屏蔽环境下定位的伪卫星系统。这个系统使用由计算机处理单元生成的信号。这些信号通过同轴电缆被分配到建筑物内一个区域中的四个伪卫星。这个本地区域系统要求极其复杂和大型的设备，并且完全屏蔽GNSS星历以确保原始和再生信号不冲突。
所有这些现有技术的引用公开了在本地、封闭系统中使用的基本伪卫星系统。
尚没有现有技术公开一种方法或设备并提供技术，它(a)允许将地面定位单元设备网络无缝集成到GNSS系统中，和(b)允许定位单元设备在完全没有限制的区域上完全无终止的传播。
在多建筑物区域中高精确度定位业务的需要快速地增长。手持用户设备的增加和位置相关信息的需要揭示了对可使用、集成和完整解决方案的需要。在手持式应用中，精确度被降低的SA标准GPS不令人满意；米级精确度或者更佳是必要的。十分需要一种在不必需使用不同定位技术的情况下允许从室外到室内无缝过渡的系统。同样，非常需要一种将传播自身然后允许在室内和室外继续扩展的系统。而且，与类似GPS的世界标准系统的集成将以方便可用和标准化组件的形式给系统带来协作优势，简化制造和公知技术的使用。同样非常需要将以用户级别的价格将这些益处提供给公众而不需要专家对基础设备提供帮助的一种系统。现有技术并不符合所说的所有这些需要。
因此，本发明的目的是克服上述GPS定位的缺点，并提供使用完全新颖的方法补充、增强和扩展GPS型技术的一种系统。
因此，本发明的一个目的是改善位置定位系统。
本发明的另一个目的是增加基于GNSS的位置定位系统可用的情况数量。
本发明的又一个目的是公开一种可以在无限制区域上被传播的地面定位单元设备的开放结构网络。
本发明的又一个目的是在整个地面定位网络中使用类似GNSS的信号。
本发明进一步的目的是提供一种创建和传播地面定位网络的方法。
本发明的另一个目的是提供一种可以与GNSS星历无缝集成的定位单元设备的网络。
本发明的另一个目的是提供一种可以与GNSS星历同步的定位单元设备的网络。
本发明进一步的目的是提供一种定位网络，它允许从基于GNSS的位置到基于网络的位置无缝过渡，或者根据每个位置系统的任意一个分配得到一个位置。
本发明的又一个目的是提供一种定位网络，它允许使用调谐到每个定位系统的粗纱设备，从基于GNSS的位置到基于网络的位置无缝过渡，或者根据每个位置系统的任意一个分配得到一个位置。
本发明的又一个目的是提供一种可以在市区环境下增加GNSS位置系统的定位单元设备网络。
本发明的又一个目的是提供一种定位单元设备网络，可以将GNSS型绝对定位延伸到卫星被遮蔽的区域、大楼和其它建筑内以及其它常规GNSS先前不起作用的其它环境中。
本发明进一步的目的是公开一种定位单元设备，可以自测量和自集成到GNSS星历和/或定位单元设备的当前网络中，从而在卫星被遮蔽或室内环境下提供绝对和相对位置。
本发明的另外一个目的是提供用于初始化和维持定位单元设备间的通信，从而允许在定位设备间传送网络信息的协议。
本发明的又一目的是每个定位单元设备包括一个标准接收机以提供整个网络中的分布式差动校正。
本发明的另外一个目的是提供整个网络中的实时动态定位，从而提供厘米精确度。
本发明的又一个目的是为GNSS卫星和网络定位系统(NPS)定位单元单元设备提供伪测距和载波相位测量，从而提供米和厘米定位精确度。
本发明的又一个目的是提供双频伪卫星传输，允许在由定位单元设备增强的环境下单个初相载波相位整数模糊分解。
本发明进一步的目的是提供三频接收机以接收GNSS信号和两个附加伪卫星信号。
本发明的另一个目的是用于定位单元设备接收WASS差动校正以在无网络差动校正可用时提供差动校正。
本发明的另外一个目的是提供一种定位单元设备，结合当前的GNSS技术以维持系统间的完全兼容性。
本发明的又一个目的是提供一种定位单元设备网络，该定位单元设备可以由非技术人员传播，从而避免了昂贵基础设施的需要和专门技术的需要。
图1图示现有技术全球定位系统(GPS)；
图2图示现有技术差动全球定位系统(DGPS)；
图3图示结合差动校正伪卫星发射机的现有技术差动全球定位系统(DGPS)；
图4图示根据本发明结合直接测距定位单元设备的网络定位系统的一种实施例；
图5图示根据本发明结合差动校正定位单元设备的网络定位系统的优选实施例；
图6图示定位单元设备被遮蔽环境下根据本发明的网络定位系统的另一种实施例；
图7是表示根据本发明的网络定位单元设备的一种实施例的整体结构的方框图；
图8图示在卫星被遮蔽环境下根据本发明的网络定位系统的另一种实施例。
为了完整地理解本发明和唯一地组合现有知识以提供新颖的和意外结果的方法，熟悉下述定位基本原理是重要的。
GPS基本原理概述
参考图1，图示多个GPS卫星101，每个卫星广播一个定位信号102。每个定位信号通过使用每个GPS卫星101上的原子时钟标准精确定时，并且为了时间的完整性由地面控制部分监视。根据定位信号102从这些GPS卫星101中的至少四个卫星到未知位置103的传播时间可以计算出邻近地球的任何一点的经度、纬度和高度。所测量的距离被称为伪距离，因为卫星101上的定时时钟和GPS接收机103中的定时时钟之间存在时间差或者偏移。对于至少四个卫星的三维位置确定一般需要求解四个未知数，即时间偏移和三维(x,y,z)位置。
GPS接收机测量的GPS时间受六个主要误差源的影响，即(1)选择可用性；(2)电离层延时；(3)对流层延时；(4)星历误差；(5)卫星时钟误差；(6)多径。选择可用性是美国国防部为了国家安全对GPS卫星定时和位置精确度的故意降低。电离层延时是电磁波通过电离层的电离粒子同心层时经历的可变时间延迟。对流层延时是电磁波通过低层大气层中的湿气时经历的时间延迟。星历误差是实际卫星位置和通过卫星轨道数据预测的位置之间的差值。卫星时钟误差是实际卫星GPS时钟和通过卫星数据预测的时钟之间的差值。多径是靠近GPS接收机的本地信号反射导致的信号延时。美国国防部为自治GPS规定的误差预算是100米2dRMS。如果需要更高的位置精确度，可以使用一种称作“局域差动GPS”的技术。
局域差动GPS(LADGPS)基本原理概述
包括多径和接收机噪声的所有GPS误差是“空间相关的”，即所有误差之和与彼此靠近的接收机是一致的。局域差动GPS(LADGPS)将GPS卫星信号中的空间相关误差降低到可以忽略的程度。
现在参考图2，图示了每个卫星广播一个定位信号102的多个GPS卫星201、局域差动GPS(LADGPS)基准接收机204、射频数据链路205和GPS接收机203。安装在已知位置上的LADGPS基准接收机204为它所检测的每个卫星信号计算一个假定伪距离。然后，它测量从GPS卫星201接收到的伪距离，并从所接收的伪距离中减去假定的伪距离，形成一个差动校正。然后，LADGPS基准站204将这些校正作为数字数据通过射频数据链路205发射给GPS接收机203。GPS接收机203在计算位置结果之前将这些校正加上它为同一卫星测量的伪距离。通过这个过程完全消除基准接收机204和GPS接收机203之间的共同误差。
伪卫星可以通过与卫星相同的方式被合并到LADGPS结果中。现在参考图3，图示每个卫星广播一个定位信号302的多个GPS卫星301、局域差动GPS(LADGPS)基准站304、射频数据链路305、GPS接收机303和同样广播一个定位信号307的伪卫星发射机306。当伪卫星发射机被合并到LADGPS系统中时，基准接收机304同步地测量伪卫星伪距离传输307，并将合并伪卫星时钟误差的伪距离校正信息通过射频数据链路305发送给GPS接收机303。
LADGPS校正将GPS位置精确度改善到几米。如果需要更高的精确度，可以使用一种称作“载波相差GPS”(CDGPS)的技术。
载波相差GPS(CDGPS)基本原理概述
载波相差GPS(CDGPS)使用在基准接收机和用户接收机上测量的载波相位之间的差值计算基准位置和用户位置之间的差值。
再次参考图3，图示每个卫星广播一个定位信号302的多个GPS卫星301、载波相位差动GPS(CDGPS)基准站304、射频数据链路305、GPS接收机303和同样广播定位信号307的伪卫星发射机306。安装在已知位置上的CDGPS参考接收机304为看得见的所有卫星301和所有伪卫星306计算瞬间相位测量。然后，来自基准接收机304的载波相位数据被通过射频数据链路305广播给GPS接收机303。GPS接收机303同样为看得见的所有卫星301和伪卫星306计算瞬间相位测量，然后计算相位差以确定GPS接收机303相对于基准接收机位置304的位置。
用户接收机可以测量载波的部分相位加上任意数量的完整周期，但是不能直接确定伪距离中完整周期的实际数量。被称作“整数周期模糊性”的这个数量必须通过其它装置确定。用于求解载波相位整数模糊性的传统策略属于三种主要分类：搜索法、滤除法和几何法。这些传统方法并不产生瞬时整数周期模糊性判决。
已经开发了一种称作“宽发射带(wide-laning)”的最新技术以克服非瞬时整数周期模糊性的问题。宽发射带相乘和滤波两个载波频率(传统上是GPS L1和L2)以形成一个拍频信号。这个拍频波长明显比两个单独载波要长。因此，通过使用伪距离观察以确定由拍频信号形成的更宽“发射带(lanes)”的整数模糊性可以确定整数值。这又明显降低了必须搜索以解决整数模糊性的整数量。
使用解决整数周期模糊性的CDGPS技术能够产生实时的厘米精确度。
如在此使用的，术语“位置”包括其范围的经度、纬度和高度，并且术语“定位单元设备”包括在其范围内的固定和移动设备。
在优选实施例中，定位单元设备包括用于在所有“可视”定位单元设备之间通信的发射和接收装置，用于执行绝对和/或相对位置计算的处理装置和用于控制网络数据责任的控制装置。
因为移动定位单元设备使用与固定定位单元设备相同的原理操作并结合到网络中，如果需要，移动定位单元设备也可以被用作动态信标。因此，移动定位单元设备可以将与之邻近的其它移动定位单元设备的定位信号结合到它自己的距离计算中以增加位置精确性。在优选实施例中，不需要移动定位单元设备发射任何定位信号。
根据本发明，使用与全球导航卫星系统(GNSS)所提供信号同步的定位单元设备传输网络执行定位单元设备的绝地和相对位置的确定。尽管参考包括全球定位系统(GPS)的GNSS讨论在此所述的优选实施例，在不脱离本发明范围的情况下也可以使用其它GNSS或绝对位置系统。
本发明在当前GPS的技术被遮蔽无法看见的位置上具有特殊的但非排它性的应用。这些环境包括中心商业区“市区”和室内环境。
在优选实施例中，一个定位单元设备使用码分(CDMA)和时分(TDMA)复用以允许将大量定位单元设备集成到网络中，同时维持单一的发射/接收频率。
定位单元设备通过首先监听GPS卫星和/或网络中其它定位单元设备的信号，然后根据所接收的定位信号执行距离的计算以确定它自己的位置。这个初始的接收周期也允许定位单元设备确定它自己的传输周期可用的空闲时隙和编码。
一旦选择了一个时隙和码隙，定位单元设备开始在它所选择的时隙和码隙中传输它的定位信号。如果在某一区域中的工作定位单元设备数量超过可用的CDMA码隙和TDMA时隙数，则一个想进入网络的符合条件的定位单元设备将继续监听信号直到一个码隙或时隙变得可用。因此，该系统提供自动的定位单元设备冗余度。
定位单元设备发射机的脉冲(a)遵守网络的时分多址(TDMA)要求；(b)允许处于同一位置上接收机从其它信号源接收相同发射频率上的测距信号；和(c)缓解公知的与CDMA扩频技术相关的远/近问题。
现在参考图4，图示一个直接测距绝对定位网络。直接测距定位单元设备402使接收机403和同位置脉冲发射机404相结合。接收机403能够从看得见的所有GPS卫星401接收定位信号406和从看得见的所有定位单元设备发射机404接收定位信号405。接收机403根据至少四个卫星信号406和/或定位单元设备传输405确定位置和GPS时间，并从它的同位置脉冲发射机404发射这个位置和GPS时间信息。然后，这个所发射的定位信号可以由看得见的任何其它定位单元设备用作直接测距信号源。所有的定位单元设备使他们的传输直接与GPS时间同步，从而建立一个直接测距绝对定位网络。然而，直接测距网络精确度受GPS合成时钟精确度的限制。美国国防部对自治GPS的误差预算是100米2dRMS或340纳秒(时间的95％)。为了从直接测距绝对定位网络获得更高的精确度，需要时钟修整技术。发射机时钟必需稳定在每天几纳秒的范围内以达到这些误差的平均数。这是当前要求的原子时钟标准，它昂贵而且十分复杂。在没有这个原子时间修整直接测距网络的情况下将具有与自治GPS相同的精确度，在100米2dRMS的量级上。
虽然可以使用原子时间标准，优选实施例的一个目的是允许大规模制造和消费者级别地介入到网络。因此，优选实施例结合了绝对定位网络的差动校正以提供所要求的精确度的提高。
现在参考图5，图示一个差动校正定位网络。差动校正定位单元设备502将基准接收机503和同位置脉冲发射机504相结合。基准接收机503能够从看得见的所有GPS卫星501接收定位信号506和从看得见的所有定位单元设备发射机504接收定位信号505。基准接收机503根据至少四个卫星信号506和/或定位单元设备传输505确定位置和GPS时间，并从它的同位置脉冲发射机504将这个位置和GPS时间信息和实时LADGPS校正507一起发射。这建立了一个分布式LADGPS基准接收机网络。
通过在绝对定位网络上重复LADGPS校正，精确度被增加到几米。相对于在任意给定时间上在使用的LADGPS基准接收机的位置和时钟确定对于用户位置的差动校正。重要的是，在基准接收机上不需要精确的时钟信息。这是因为已知的基准接收机位置是四维的。即，它包括一个本地时间校正。对于所有伪距离校正的任意一致定时误差将仅影响用户接收机的时钟。假设用户仅关心接收机位置，这个时钟校正因此变成任意的。
每个定位单元设备从看得见的所有定位单元设备接收LADGPS校正。因此，一个定位单元设备可以同时使用十二个或更多的LADGPS校正。当在计算任一位置结果时，定位单元设备必须仅使用来自一个LADGPS信号源的校正。在提供最终的平均LADGPS位置结果之前，通过根据所有的看得见的LADGPS信号源计算位置结果，定位单元设备可以进一步提高其位置的完整性。
定位单元设备也可以根据任意其它的预定选择标准加权LADGPS选择，例如：(a)基准接收机接近性，即基准接收机离用户设备越近，多径空间校正的可能性越高，微分解中ε误差的影响越小；(b)基准接收机几何结构，即本地定位单元设备的好的几何结构提供更精确的LADGPS校正；(c)可观察到的信号源的相互关系，即基准接收机必须看到与用户设备相同的一组卫星和/或伪卫星(可观察到的)；(d)信号强度/数据完整性，即为了最小误差校正必须以高信噪比接收数据。
与伪测距精确度特别有关的是多径，尤其在室内环境下。这个误差源可能产生几十米的伪测距的不精确性。然而，当使用载波相位方法时可以将多径的影响显著地降低到厘米量级。为了高精确度位置确定和消除伪测距多径影响定位单元设备最好使用载波相位测量。
载波相差GPS(CDGPS)测量受整数周期不确定性的影响，因此需要一种方法来解决这个问题。双频宽发射带是高多径环境下对不确定性的最佳解决方案。可以在单个初相上确定整数，此后可以继续确定，从而进行无关紧要的周期滑移。
再次参考图5，图示一个载波相位差校正网络。校正载波相位差的定位单元设备502将基准接收机503和同位置双频脉冲发射机504结合在一起。基准接收机能够从看得见的所有GPS卫星501接收定位信号506和从所有看得见的定位单元设备发射机接收定位信号505。基准接收机503根据看得见的至少四个GPS信号506和/或定位单元传输505确定位置和GPS时间，并从它的同位置双频脉冲发射机504将这个位置和GPS时间信息与实时LADGPS和CDGPS测量507一起发射。这建立了一个分布式LADGPS/CDGPS基准接收机网络。
通过在网络定位系统(NPS)环境下使用CDGPS解决方案，位置精确度被增加到几厘米。公知技术“双差分化”被用于消除时钟误差。
通信协议
自集成网络定位系统(NPS)的发展要求定位单元设备之间专用的通信协议。每个定位单元设备将CDMA Gold编码用于GPS卫星和定位单元设备的捕获和识别。GPS设计规范将Gold编码1至32用于卫星，将Gold编码33至37用于伪卫星。GPS规范还进一步将Gold编码分配给诸如WAAS和EGNOS的其它系统。为了将定位单元设备集成到标准GPS系统中，定位单元设备最好使用尚未被标准GPS系统分配的Gold编码。为每个定位单元设备动态地选择Gold编码以确保在看得见的网络中每个定位单元设备具有唯一的标识。
定位单元设备被要求在这个网络传递相关的GPS和NPS信息。
被传送的GPS组成部分是：(a)GPS时间，用于同步和从GPS星历直接测距；和(b)GPS日历数据，用于在卫星遮蔽环境下将定位单元设备维持在“天空准备就绪”状态。
被传送的NPS组成部分是：(a)NPS时间，用于同步GPS和NPS时间，包括所有NPS和GPS时钟校正；(b)被表示为以地球为中心的地球固定(ECEF)位置坐标的定位单元设备位置；(c)NPSLADGPS/CDGPS数据；和(d)NPS动态日历数据(DAD)。
动态日历数据被要求用于网络传播完整性。参考图6，几个定位单元设备602位于需要NPS创建和传播的区域内。第一定位单元设备602-3被建筑物603从第二定位单元设备602-2遮蔽。然而，第三定位单元设备602-3可以从第一定位单元设备602-1和第二定位单元设备602-2接收数据。如果第一定位单元设备602-1开始在CDMA Gold编码33上传输(假设)，并且第二定位单元设备602-2也选择开始在CDMAGold编码33上的传输，这可能导致潜在的CDMA冲突。然后，第三定位单元设备602-3将在同一CDMA Gold编码上接收两个定位单元设备。这个潜在的问题可以通过使用“动态日历数据”(DAD)消除。
在常规GPS系统中，每个卫星传送已经从GPS控制部分下载的相同日历数据。这个日历数据描述了用于整个当前GPS星历的所有卫星轨道参数和识别号。
NPS系统使用对于每个定位单元设备唯一的动态日历。由每个定位单元设备生成的动态日历数据描述：(a)定位单元设备自身的位置和TDMA时隙和/或CDMA Gold编码数，和(b)用于看得见的所有其它定位单元设备的TDMA时隙和/或CDMA Gold编码数和位置数据。要求集成到网络中的定位单元设备将询问来自看得见的所有定位单元设备的动态日历数据以确定一个合适的TDMA时隙和/或CDMAGold编码数以发射。这个DAD协议将防止TDMA时隙和/或CDMAGold编码冲突。
动态日历数据还可以包括其它信息，例如用于快速卫星和定位单元设备获取的定位单元设备多普勒效应信息，以及用于NPS快速搜索功能的唯一用户标识。
假设足够的NPS带宽用于通信目的，定位单元设备可以在整个NPS发送唯一的用户数据。这个数据可以包括诸如唯一用户ID、位置、时间的信息和诸如“现在请派一个出租车给我”的命令功能。信息可以被发送给中心网关业务，在此基于位置的用户请求被接收和处理。在上面的例子中，出租车公司将发出一个响应，确认该预约并给出出租车到达的预计等待时间。在不需要中心网关业务的情况下信息也可以通过NPS发送。当在网络中查找其它定位单元设备时，这个信息可以包括诸如“发现”命令的功能。
优选信号和硬件结构
定位单元设备维持与现有GPS技术的兼容性是非常有利的。这保证了现有GPS硬件的最大应用，同时使定位单元设备的制造和小型化的成本最小。NPS通过结合下列基本要素保持与现有GPS结构的紧密联系，这些基本要素例如：(a)正弦直接序列扩频传输；(b)1023比特的双相移键控伪随机“Gold编码”；(c)1.023 MHz的码片速率；(d)双相移键控导航消息；(e)标准自相关技术和相关器硬件；(f)用于L1接收的标准射频接收机设计；(g)标准GPS控制器和存储器设计。
然而，原始GPS基础设备未被设计以集成地面定位系统。为了NPS将GPS基本技术扩展到整个地面定位网络，增强基本GPS要素，在优选实施例中，如下：(ⅰ)用于定位单元设备接收和发送的频率偏移，这也便于使用宽发射带整数模糊解决技术；(ⅱ)增加用于定位单元设备接收的接收机动态范围；(ⅲ)增加用于导航和附加通信消息的数据带宽；(ⅳ)使用附加的码分多址(CDMA)Gold编码；(ⅴ)用于定位单元设备集成和传播的通信协议。
参考图7，图示上述定位单元设备701的最佳硬件实施例，包括三频基准接收机702和双频脉冲伪卫星发射机703。三频基准接收机702能够从L1(1575.42 MHz)上的所有GPS卫星704和两个预定伪卫星频率705上的所有定位单元设备脉冲伪卫星接收近似/捕获(C/A)伪随机编码，最佳但不仅限于2.4 GHz的工业、商业和医务(ISM)频带。三频基准接收机702通过数据链路707将定位数据发送给同位置脉冲伪卫星发射机703。所计算的位置还被存储在非易失性存储器中以便进一步参考。
定位单元设备脉冲伪卫星发射机703包括一个双频二相移相键控(BPSK)发射机，能够传输码片速率为1.023 MHz的两个离散1023比特C/A编码，最好在2.4 GHz ISM频带内。每个频率706具有在每个C/A编码上BPSK调制的1000 bps的导航消息。如前所述，为了最佳兼容性，NPS信号结构的优选实施例保持与GPS信号结构的密切相关。标准GPS导航数据以50 bps的速率发送。为了提高通信带宽，最佳NPS实施例使用每载波1000 bps的带宽。这允许使用每个伪卫星2000 bps的数据链路。而且，四相移相键控(QPSK)或数据压缩技术可以在其它实施例中使用以进一步扩展通信带宽。
优选实施例定位单元设备伪卫星发射两个频率用于使用宽发射带整数模糊解决技术。这些频率在从1575.42 MHz的GPS L1频率偏移的ISM频带内被发送。这确保定位单元设备传输并不干扰L1上的标准GPS信号。在ISM频带内发射的另一个优点是定位单元设备可以在没有专门管理批准的情况下使用，
优选定位单元设备能够解调来自GPS卫星的标准GPS每秒50比特(bps)的导航消息、来自定位单元设备伪卫星的1000 bps导航消息和来自广域扩张系统(WAAS)卫星的250 bps导航消息。这允许定位单元设备使用可以从所有信号源获得的数据，提供可能的最精确和无缝集成。
因为固定定位单元设备并不限制于专门的位置需要。将可以把定位单元设备制造在一个外壳内，例如将其直接插到墙上的电源插座中。假设已经存在一个可用的有限网络，一旦被插入，定位单元设备将自动集成到网络中。
网络初始化
在此参考图5，第一定位单元设备502-1包括基准接收机503-1和同位置定位单元设备脉冲伪卫星504-1，自己测量GPS星历501和确定一个平均位置。定位单元设备也可以被放置在一个精确的已知位置上。随后，第一定位单元设备的基准接收机503-1为看得见的所有GPS信号506和它的同位置脉冲伪卫星发射机504-1确定LADGPS/CDGPS测量。然后在导航消息中从同位置脉冲伪卫星发射机504-1发射平均位置和LADGPS/CDGPS测量。
第二定位单元设备502-2被放置在第一定位单元设备502-1的范围内。第二定位单元设备的基准接收机503-2接收GPS卫星信号506和来自第一定位单元设备脉冲伪卫星发射机504-1的信号。第二定位单元设备502-2使用第一定位单元设备的502-1 LADGPS/CDGPS测量值507和距离信号以确定一个精确的位置。随后，第二定位单元设备502-2为看得见的所有GPS卫星501和定位单元设备502确定LADGPS/CDGPS测量。然后在导航消息中从同位置脉冲伪卫星发射机504-2发射位置和LADGPS/CDGPS测量。
第三定位单元设备502-3被放置在第一定位单元设备502-1和第二定位单元设备502-2的范围内，并以和第一定位单元设备501-1和第二定位单元设备502-2相同的方式确定位置。现在，第三定位单元设备502-3具有两组用于选择的LADGPS/CDGPS测量。
第四定位单元设备502-4被放置在第一定位单元设备502-1、第二定位单元设备502-2和第三定位单元设备502-3的范围内。现在，以与前三个定位单元设备相同的方式确定第四定位单元设备502-4的位置。第四定位单元设备502-4具有三组用于选择的LADGPS/CDGPS测量。
已初始化的至少四个定位单元设备，网络可以在不需要“看得见天空”的情况下开始扩展和传播。从这个时候起，在四个GPS卫星或定位单元设备的任意组合范围内的任意定位单元设备可以确定其位置并继续传播NPS。
现在参考图8。使用审慎放置和工作中的四个或更多的定位单元设备802-1、802-2、802-3、802-4，可以在诸如“市区”和在建筑物804内的卫星被遮蔽的环境下接收测距信号。这允许被从所有GPS卫星信号806遮蔽的定位单元设备803依然看得见至少四个定位单元设备802-1、802-2、802-3、802-4，具有确定其位置的能力。定位单元设备信号的穿透性可以被限制在建筑物804内。然而，一旦室内定位单元设备803具有一个位置结果，其它的定位单元设备能够自集成和从这个设备803传播，将NPS延伸到室内环境中。这允许定位单元设备的“类似网(web-like)”结构的发展。这种网络的类似网结构确保NPS获取诸如良好的几何结构、高信号强度、为测距更好的可观察性、瞬间模糊性分解等优点，所有这些导致极高的精确度。
好的几何形状对于位置的精确确定和随后定位单元设备的成功传播是至关重要的。使用称作“几何精度因子”(GDOP)的无单元终端测量几何结构。最好通过在高GDOP情况下禁止定位单元设备传播来严格地控制几何传播误差。而且最好初始化阈值以便不使用具有过高GDOP值的定位单元设备。
网络结构的例子
NPS的优选实施例允许单个定位单元用户设备根据周围环境状况通过多种不同方式确定其位置。
定位单元用户设备可以被用作一个自治GPS接收机，能够根据至少三个GPS卫星信号测距。这将产生大约100米2dRMS的位置精确度。
定位单元用户设备能够根据至少两个GPS信号测距，并根据WAAS差动校正卫星测距，生成几米的差动位置精确度。
定位单元用户设备能够根据至少两个GPS卫星信号测距，和根据一个其它的固定定位单元设备测距。固定定位单元设备提供另一个测距信号源，并且还为米级位置精确度提供LADGPS校正。如果可以解决初始整数模糊性，单个固定定位单元设备也可以提供CDGPS校正。这可以通过常规卫星或移动定位单元设备几何结构变化来实现。
定位单元用户设备能够根据多个GPS卫星信号测距，并根据多个固定定位单元设备测距，例如在市区内。这种情况提供具有优良几何结构的丰富测距信号源。使用五个双频定位单元设备，可以执行单个初相(single-epoch)宽发射带载波相位整数模糊性判决，从而提供厘米的精确度。
定位单元用户设备能够仅根据多个固定定位单元设备测距。这出现在卫星被遮蔽的情况下，例如在建筑物内。使用五个双频定位单元设备，可以执行单个初相宽发射带载波相位整数模糊性判决，从而提供厘米的精确度。
可选实施例
定位单元设备可以包括诸如原子时钟的精确时间标准以允许自治绝对定位。在这个实施例中，定位单元设备时钟将需要被监视，并执行时间转换以维持网络时间完整性。
定位单元设备可以在成对方式的基础上通信，从而允许相对定位出现在设备之间。这个相对定位技术可以被扩展到一个定位单元设备网络，允许建立相对定位单元设备的类似网结构。
移动定位单元设备可以被配置为仅接收的设备，在这种情况下，为了三维位置确定，移动定位单元设备至少需要看得见四个其它发射定位单元设备。
将理解虽然已经通过本发明的说明性例子给出上述说明，对于本领域的普通技术人员来说，所有这些和其它修改和变化将落入在此所述的本发明的广阔范围内。

Claims (20)

1．一种建立定位单元设备网络的方法，该方法包括步骤：
a)定位单元设备确定看得见的所有定位信号，所述定位信号从全球导航卫星系统的卫星和其它定位单元设备构成的组中选择；和
b)所述定位单元设备根据任一所述定位信号确定其位置；和
c)所述定位单元设备发送其定位信号。
2．如权利要求1所述的方法，其中所有定位单元设备与全球导航卫星系统同步。
3．如权利要求1所述的方法，其中所有定位单元设备包括传输装置，用于调制表示定位单元设备位置的载波信号。
4．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括接收装置，用于接收调制载波信号，所述调制载波信号从全球导航卫星系统的卫星和定位单元设备构成的组中选择。
5．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括用于解调已调制的载波信号的装置，所述已调制的载波信号从全球导航卫星系统卫星和定位单元设备构成的组中选择，以提取用于确定定位单元设备位置的距离信息。
6．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括用于解调已调制的载波信号的装置，所述已调制的载波信号从全球导航卫星系统卫星和定位单元设备构成的组中选择，以提取用于在定位单元设备间分配的通信数据。
7．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括用于解调已调制的载波信号的装置，所述已调制的载波信号从全球导航卫星系统卫星和定位单元设备构成的组中选择，以提取用于改进定位信息的差动校正数据。
8．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括用于调制载波信号的双频传输装置，允许使用载波相位整数周期模糊性判决技术。
9．如权利要求1所述的方法，其中定位单元设备包括用于解调来自多个定位单元设备的已调制的双频载波信号以允许载波相位整数周期模糊性判决的装置。
10．一种定位单元设备，包括：
a)用于接收从全球导航卫星系统卫星和其它定位单元设备构成的组选择定位信号的装置；
b)用于根据所述定位信号执行距离和位置计算的装置；
c)用于发射唯一定位信号的装置。
11．如权利要求10所述的设备，包括用于通过脉冲发送所述唯一定位信号的传输的装置。
12．如权利要求11所述的设备，包括用于所述唯一定位信号的双频传输的装置。
13．如权利要求12所述的设备，包括用于所述定位信号和所述唯一定信号的三频接收的装置。
14．如权利要求10所述的设备，包括用于接收所述定位信号的差动校正的装置。
15．如权利要求14所述的设备，包括用于所述唯一定位信号的双频传输的装置。
16．如权利要求15所述的设备，包括用于接收所述定位信号和所述唯一定位信号的三频接收的装置。
17．如权利要求16所述的设备，包括用于执行接收的所述定位信号和所述唯一定位信号的载波相位整数周期模糊性判决的装置。
18．一种传播定位单元设备网络的方法，该方法包括步骤：
a)定位单元设备确定看得见的所有定位信号，所述定位信号从全球导航卫星系统的卫星和其它定位单元设备构成的组中选择；和
b)所述定位单元设备检查从所述另一个定位单元设备看得见的所有所述定位信号以确定它与所述另一个定位单元设备的关系，通过预先定义的选择标准确定所述关系；和
c)所述定位单元设备根据所述关系选择一个唯一定位信号；和
d)所述定位单元设备发送所述的唯一定位信号。
19．如权利要求18所述的方法，其中所述定位单元设备与全球导航卫星系统同步。
20．如权利要求18所述的方法，其中定位单元设备包括用于解调已调制的信号的装置，所述已调制的载波信号从全球导航卫星系统卫星和定位单元设备构成的组中选择，以提取用于在定位单元设备间分配的通信数据。
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