CN1425226A - 使用相干处理的卫星信号并结合固定信标信号来定位一个移动单元 - Google Patents

Abstract

一种相对于诸如全球定位系统的卫星网络的卫星和无线通信网络的基站发现一个移动单元位置的方法和系统。每个卫星发射一个包括一系列伪噪声序列帧的信号。由移动单元从卫星网络接收到的一个信号的帧被排列为一个矩阵的列，并相干地处理以为可见卫星提供估计的伪距离和估计的伪距离变化率。相干处理包括对矩阵的行执行一个正交变换，将矩阵元素乘以多普勒补偿因数，然后，对于每个可见卫星，卷积矩阵的列和该卫星的伪噪声序列。其它的伪距离根据移动单元从一个或多个基站接收到的同步脉冲串序列推导出。如果基站不相互同步，提供参考单元以确定基站时钟和卫星网络时钟之间的时间偏差，并将时间偏差发送给移动单元，以便所有的伪距离包括相对于卫星网络时钟的相同偏差。这些伪距离由包括一线性最佳估计器，例如卡尔曼滤波器的动态估计器处理和协调以在移动单元移动时产生移动单元的连续位置估计。

Description

使用相干处理的卫星信号并结合固定信标信号来定位一个移动单元

发明领域

本发明涉及用于便携式无线电收发信机的定位系统，尤其涉及根据来自诸如全球定位系统(GPS)的卫星网络的信号和来自无线通信网络基站的信号，用于无线通信网络中的一个移动单元的定位系统。

背景技术

全球定位系统是发射标准信号的地球低轨道卫星系统，所述标准信号可用于确定装备有一适当的GPS接收机的用户的位置。对于民用来说，信号是“C/A编码”，即以1023KHz的码片速率发射的伪随机噪声(PN)序列，其重复周期为1023码片，所以PN序列的每一帧包括1023个码片。向每个卫星分配其唯一的PN序列，并且各个卫星的PN序列是相互正交的。

叠加在由GPS卫星发射的PN序列上的是卫星数据消息，以50比特/秒的速率每30秒发射一次。通过逐比特地与PN序列的20个连续帧相乘，卫星数据消息的每一比特(+1或-1)被调制到卫星信号上。卫星数据消息的前900比特包括各个卫星的卫星历表和时间模型。卫星数据消息的其余600比特包括一部分GPS历书，它是整个GPS系统的15,000比特块的粗略星历表和时间模型数据。另外，每个卫星数据消息的比特1-8、比特301-308、比特601-608、比特901-908和比特1201-1208是在时间上不变的相同的8比特(160毫秒)首部，并且对于所有的GPS卫星是相同的；每个卫星数据消息的比特31-60、比特331-360、比特631-660、比特931-960和比特1231-1260是在时间上变化的30比特(600毫秒)的转移字(这些转移字包括星期的时间的表示)，但是，类似于首部，对于所有的GPS卫星都是相同的。

常规上，通过相关所接收的信号和各个卫星的PN序列并锁定到相关峰值，GPS接收机捕获并跟踪来自至少四个GPS卫星的信号。一旦捕获并跟踪到卫星，GPS接收机针对每个被捕获的卫星从各个卫星数据消息解码出星历表和时间模型。这些模型包括足够的星历表数据使得GPS接收机能够计算出卫星的位置。在卫星的连续跟踪过程中获得的相关峰值提供所测量的这些PN序列帧的到达时间。一个任意的参考时间和所测量的到达时间之间的差值乘以光速即是卫星到GPS接收机的伪距离ρ。参考时间一般是GPS接收机时钟所测量的卫星执行它们相应的PN序列传输的开始时间，所述GPS接收机时钟一般以一个未知的时间偏差量偏离GPS系统时钟。伪距离ρ相对于各个卫星的实际距离R为ρ＝R+c_b，其中距离偏移c_b是GPS接收机相对于GPS系统时间的时间偏差T₀乘以光速c：c_b＝T₀c。根据上述伪距离并根据作为时间函数的卫星的已知位置，通过三角测量计算GPS接收机的位置。需要到至少四个卫星的伪距离以求解至少四个形式为|s-r|＝ρ-c_b的联立等式，其中s是卫星的位置矢量，r＝(x，y，z)是GPS接收机的位置矢量，以求得GPS接收机的三个未知笛卡尔坐标x，y，z和c_b。卫星距离GPS接收机足够远，从而这些等式可以用x，y和z线性化，而不降低精度。

增加GPS接收机建立其位置的效率和降低GPS接收机的功率需求的几种方法是已知的。在此引用作为参考(如同在此完全描述)的美国专利US5,365,450中Schuchman等人教导了通过从网络的基站经网络的控制信道将卫星数据消息发送到移动单元，将卫星数据消息提供给一个GPS接收机，所述GPS接收机被集成到诸如蜂窝电话网的无线通信网的诸如蜂窝电话的一个移动单元中。卫星数据消息长度为30秒，所以即使在理想的接收情况下，并行处理来自所有可见卫星的信号，获得GPS位置定位至少需要30秒。卫星数据消息的先验知识将这一时间降到10秒以下。

在此引用作为参考(如同在此完全描述)的美国专利US5,663,734中，Krasner教导了一种用于移动单元的GPS接收机，如同Schuchman等人的GPS接收机，通过到基站的无线链路获得卫星数据消息，但是然后，并不实时处理GPS信号，GPS接收机与信号到达的开始时间一起存储多达1秒的信号(每个卫星1000个PN序列帧)，并处理所存储的信号。每5至10帧为一组被求和并与预计可见的卫星的PN序列相关，不相干地相加所得的相关函数。多达1000帧的求和把信号噪声比提高了一个相应量，事后处理所需要的功率比实时处理低得多。

在此引用作为参考(如同在此完全描述)的PCT申请WO99/21028中Duffet-Smith等人教导了一种定位无线通信网络的移动接收机(“远端单元”)的系统和方法。固定位置上的远端单元和基站单元同时在控制信道上从三个或更多的基站收发信机(BTS)接收信号，并相关处理控制信道信号的固定部分。相关峰值的简单描述，例如低阶多项式拟合，由基站单元和远端单元发送给一个中央处理器。中央处理器根据相关峰值恢复BTS到基站单元和远端单元传输的时间偏差。这些时间偏差在功能上与GPS伪距离相同。给定BTS和基站单元的(固定)位置，中央处理器计算远端单元的位置，主要通过三角测量，并将位置发送给远端单元。

GPS定位系统判定在GPS接收机上具有到至少四个GPS卫星的清楚视线。在市区环境下通常不是这种情况。市区环境通常安装有蜂窝电话网，所以在理论上，Duffet-Smith等人所教导的系统可以用于定位一个配置为蜂窝电话的移动收发信机；但是蜂窝电话通常同时与至多两个基站联系。在美国专利US5,999,124中Sheynblatt、在PCT申请WO99/61934中Camp、和在美国专利US5,982,324中Watters等人都教导了同时使用GPS卫星和陆地BTS的信号来确定移动接收机位置的方法。如上所述，这些现有技术方法一般依靠三角测量，使用同时从四个或更多GPS卫星和BTS接收到的信号。如上所述，通常，至多两个BTS是同时可见的；在特别混乱和嘈杂的市区环境中，在任何时候仅可以从一个或两个GPS卫星获得可用信号。这些现有技术的方法还依靠所有的BTS相互同步，如果不与GPS系统同步至少相互之间是同步的。在GSM蜂窝标准中，这种同步是可选的。因而，已经广泛地意识到需要，并且如果实现的话将非常有利，一种在混乱和嘈杂的市区环境下定位无线通信网络的移动单元，例如移动蜂窝电话机的系统和方法，它根据从诸如GPS卫星的地球低轨道卫星和通信网的基站顺序接收到的信号获得移动单元的位置，而不需要BTS相互同步。

发明概述

根据本发明，提供一种确定到一个信标的伪距离及其变化率的方法，所述信标发送一个包括多个块的信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每一块与一个数据序列的一个比特相乘，该信号相对于一个标称频率偏移一个频移，该方法包括步骤：(a)接收信号；(b)数字化所接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；(c)把该数字化信号排列为包括多行的一个输入矩阵的列，每一列包括对应于整数个伪噪声序列帧的该数字化信号的连续多个比特；和(d)对输入矩阵的每行执行一个离散正交变换，从而生成一个变换矩阵。

根据本发明，提供一种确定到多个信标中每个信标的伪距离及其变化率的方法，每个信标发送一个包括多个块的相应信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每个块与一个数据序列的一个比特相乘，该伪噪声序列和数据序列唯一地与各个卫星相关，所有的伪噪声序列长度相同，伪噪声序列是相互正交的，该方法包括步骤：(a)集总接收被发射的信号作为一个接收信号；(b)数字化所接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；和(c)对于每个信标，将对应于每个信标所发射的信号块的数字化信号的比特组乘以每个信标的数据序列的相应比特。

根据本发明，提供一种接收机，用于接收一个信标所发射的一个信号，该信号包括一个伪噪声序列的多个帧，该接收机包括：(a)一个用于接收被发射信号的天线；(b)一个用于数字化所接收的信号以生成一个包括多个比特的数字化信号的装置；(c)一个存储器，用于将该数字化信号存储为一个包括多行的矩阵的列，每列包括对应于整数个伪噪声序列帧的数字化信号的连续多个比特；和(d)一个处理器，用于对该矩阵的每行执行一个离散正交变换。

根据本发明，提供一种定位移动单元的定位器系统，包括：(a)至少一个信标，具有一个相应的伪噪声序列和一个相应的数据序列，每个数据序列包括多个比特，至少一个信标中的每个信标可操作地发射一个相应发射信号，每个相应的发射信号包括多个块，每个块包括相应的伪噪声序列的多个帧，每个块与相应的数据序列的一个比特相乘，(b)一个参考单元包括：(i)一个参考单元接收机，用于：(A)接收至少一个发射信号作为一个参考单元接收信号，和(B)从相应的参考单元接收信号中恢复至少一个数据序列，和(ii)一个发射机，用于将至少一个数据序列发射到至少一个移动单元；和(c)在移动单元中：(i)第一移动单元接收机，用于接收至少一个数据序列，和(ii)第二移动单元接收机，包括：(A)一个天线，用于集总接收至少一个发射信号作为一个移动单元接收信号，(B)一个装置，用于数字化移动单元接收信号以生成一个包括多个比特的数字化信号，(C)一个存储器，用于为至少一个信标中的每个信标存储该数字化信号的一个实例，和(D)一个处理器，用于相乘每个所述的数字化信号的至少一个实例与相应数据序列的多个比特。

根据本发明，提供一种用于确定接收机位置的方法，包括步骤：(a)提供具有各自伪噪声序列的多个信标，所有的伪噪声序列长度相同；(b)由每个信标发射一个相应信号，该信号包括相应伪噪声序列的多个帧；(c)由接收机集总接收所发射的信号作为一个接收信号；(d)为每个信标推断一个伪距离和伪距离的变化率；和(e)根据伪距离和伪距离的变化率推断接收机的位置。

根据本发明，提供一种确定到一个信标的伪距离及其变化率的方法，所述信标发送一个包括多个块的信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每个块乘以一个数据序列的一个比特；该信号相对于一个标称频率被偏移一个多普勒频移，该方法包括步骤：(a)接收信号；(b)数字化所接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；(c)将一个匹配滤波器算法应用于数字化信号以从中提取伪距离和伪距离的变化率，该匹配滤波器算法包括：(i)相对于该数据序列解调该数字化信号。

根据本发明，提供一种定位移动单元的方法，包括步骤：(a)提供多个异步固定信标，每个固定信标发送一个相应的固定信标信号；(b)提供多个在已知的各个轨迹上运动的移动信标，每个移动信标发送一个相应的移动信标信号，所有的移动信标相互同步；(c)对于至少一个固定信标中的每个信标：(i)由移动单元接收相应的固定信标信号，和(ii)根据相应的固定信标信号推断与到每个固定信标的距离相关的至少一个参数；(d)对于至少一个移动信标中的每个信标：(i)由移动单元接收相应的移动信标信号；和(ii)根据相应的移动信标信号推断与到每个移动信标的距离相关的至少一个参数；(e)通过下述步骤使移动单元和固定信标与移动信标同步，包括：(i)为每个固定信标提供一个参考单元，用于测量移动信标和每个固定信标之间的时间偏差，(ii)由参考单元测量时间偏差，和(iii)从一个相应的参考单元向移动单元发送至少一个时间偏差，参数的推断基于该同步；和(f)根据参数推断移动单元的位置。

根据本发明，提供一种跟踪一个移动单元的方法，包括步骤：(a)提供多个信标，每个信标发射一个相应的测距信号；(b)获得移动单元位置的初始估计；(c)由移动单元接收一个测距信号；(d)根据该测距信号推断与到发射该测距信号的信标的距离相关的至少一个参数；和(e)根据包括位置初始估计的一个初始状态估计和包括该至少一个参数的更新测量获得移动单元位置的更新估计。

根据本发明，提供一种用于定位一个移动单元的定位器系统，包括：(a)多个异步固定信标，每个固定信标可操作地发射一个相应的固定信标信号；(b)多个移动信标，每个移动信标可操作地发射一个相应的移动信标信号，同时在一条相应的已知轨迹上移动，所有的移动信标彼此同步；和(c)在移动单元中：(i)一个移动单元时钟，用于生成一个移动单元定时信号；(ii)第一移动单元接收机，用于接收和数字化固定信标信号；(iii)第二移动单元接收机，用于接收和数字化移动信标信号，从而生成相应的数字化移动信标信号；(iv)一个存储器，用于存储数字化移动信标信号；(v)一个移动单元处理器，用于将每个固定信标信号转换成一个相应的固定信标伪距离，和在将每个数字化移动信标信号存储在存储器中之后，将每个数字化移动信标信号转换成一个相应的移动信标伪距离；和(d)至少一个参考单元包括：(i)第一参考接收机，用于接收移动信标信号，并从中推断这些移动信标信号的共同开始时间，(ii)第二参考单元接收机，用于从至少一个相应的固定信号接收至少一个固定信标信号，(iii)一个参考单元时钟，用于生成一个参考单元定时信号，(iv)一个参考单元处理器，用于为至少一个相应的固定信标中的每个推断出该至少一个相应固定信标信号的开始时间与移动信标信号的共同开始时间之间的定时偏差；和(iii)一个发射机，用于发射至少一个定时偏差；第一移动单元接收机可操作地从至少一个参考单元发射机中的每个接收至少一个定时偏差；伪距离同时参考移动单元定时信号和至少一个定时偏差。

根据本发明，提供一种用于定位移动单元的定位器系统，包括：(a)多个信标，每个信标发射一个相应的测距信号；和(b)在移动单元中：(i)一个用于获得移动单元位置的初始估计的装置，(ii)一个用于接收测距信号的接收机，(iii)一个处理器，用于根据一个测距信号推断出与到发射该测距信号的信标的距离相关的至少一个参数，和(iv)一个更新装置，用于根据包括至少一个参数的更新测量来更新位置估计。

根据本发明，提供一种跟踪移动单元的方法，包括步骤：(a)提供多个移动信标，每个移动信标发射一个相应的测距信号；(b)提供多个固定信标，每个固定信标发射一个相应的测距信号；(c)获得移动单元位置的初始估计；(d)由移动单元从多个信标中的一个相应信标接收第一测距信号；(e)根据第一测距信号推断出与到发射第一测距信号的信标的距离相关的至少一个参数；(f)根据初始位置和与到发射第一测距信号的信标的距离相关的至少一个参数获得移动单元位置的第一更新估计；(g)由移动单元从另外的多个信标中的一个相应信标接收第二测距信号；(h)根据第二测距信号推断出与到发射第二测距信号的信标的距离相关的至少一个参数；和(i)根据第一更新位置和与到发射第二测距信号的信标的距离相关的至少一个参数获得移动单元位置的第二更新估计。

根据本发明，提供一种用于定位移动单元的定位器系统，包括：(a)多个移动信标，每个移动信标发射一个相应的测距信号；(b)多个固定信标，每个固定信标发射一个相应的测距信号；和(c)在移动单元中：(i)一个用于获得移动单元位置的初始估计的装置，(ii)一个用于接收测距信号的接收机，(iii)一个处理器，用于根据每个测距信号推断出与到发射测距信号的信标的距离相关的至少一个参数，和(iv)一个更新装置，用于使用与到多个信标中的一个信标的距离相关的至少一个参数更新初始位置估计，从而提供移动单元位置的第一更新估计，和使用与到另外多个信标中的一个信标的距离相关的至少一个参数更新第一更新估计。

从最广泛的意义来说，本发明包括使移动单元通过合理地处理从移动信标和固定信标接收到的信号来确定其位置的方法和系统。如在此所理解的，信标是一个包括一发射机的设备，该发射机发射一个信号，通常是一个射频信号，移动单元接收该信号并用于确定它自身的位置。一些信标是固定的，意味着这些信标在固定和已知的位置上。其它的信标是移动的，意味着这些信标沿着已知的轨迹运动，以便在任何时候该相应移动信标的瞬时位置都是已知的。移动单元一般是一个蜂窝电话机，固定信标是蜂窝电话网的基站收发信机，移动信标是诸如GPS系统和俄罗斯的CLONASS系统的低轨道地球卫星定位系统的卫星，移动信标的轨迹则是如卫星星历表和时间模型所描述的卫星轨迹。然而，更广泛地说，本发明的范围包括任意合适的信标。例如，固定信标可以是专门建立以能够跟踪移动单元的专用信标，移动信标可以是沿着已知轨迹飞行的航空器。

尽管本发明的范围延伸到使用任意合适类型的移动和固定信标，在此用最佳和最普通的移动和固定信标的形式来描述本发明，即GPS卫星和蜂窝电话网的基站(BTS)。本领域的技术人员显然知道如何将本发明的原理应用于其它类型的移动和固定信标。

移动单元从移动和固定信标接收定时信号。在移动信标是GPS卫星的情况下，定时信号是连续的由卫星数据消息调制的PN帧。在固定信标是BTS的情况下，定时信号是在蜂窝网控制信道中发射的同步脉冲串序列。

为了这些信号被移动单元正确地理解，如果蜂窝电话网是异步的，BTS既不与GPS网络同步，也不相互同步，则各个BTS和GPS系统之间的时间偏差必须为移动单元所知。因此，提供至少一个参考单元，用于确定BTS和GPS时间之间的偏差。一个参考单元与一个或多个BTS相关。每个参考单元包括：一个基于GPS的时间参考模块，用于从GPS卫星接收PN帧，并将它们与PN序列的本地副本互相关以确定GPS时间；一个蜂窝通信模块，用于从相关的BTS接收同步脉冲串序列；和一个同步模块，用于确定相关BTS相对于GPS时间的时间偏差。蜂窝通信网装备有一个定位器服务中心，参考单元经定位器服务中心向移动单元发送时间偏差。参考单元之一可以被设计为一个主参考单元，也经定位器服务中心向移动单元发送卫星数据消息。(这个主参考单元可以在物理上与定位器服务中心集成在一起。)移动单元以常规方式与蜂窝网同步。这允许移动单元同样与GPS网络近似同步：经定位器服务中心从参考单元接收了BTS定时偏差后，移动单元计算其自身时钟和GPS时间之间的时间偏差在大约30毫秒之内。

移动单元从可见GPS卫星集总接收卫星定时信号，数字化该组合信号，并将匹配滤波器算法应用于该组合信号以如下所述根据该组合信号提取伪距离和伪距离的变化率。数字化组合信号的连续帧被排列为一个矩阵的列。所形成矩阵的实例与可见卫星的个数相同。针对相应卫星的卫星数据消息，通过将矩阵实例的列组乘以相应卫星的卫星数据消息的对应比特，移动单元与GPS网络近似同步允许每个矩阵实例被解调。如果提供主参考单元，则任意PN序列都可以被用于形成矩阵实例；否则，仅使用对应于公用于所有卫星的卫星数据消息比特的那些PN帧。使用离散正交变换，最好是一个离散傅立叶变换来变换矩阵的行。将矩阵元素乘以各个多普勒补偿因数。将矩阵的列与可见卫星的PN序列卷积以为每个可见卫星提供一个信号模糊性功能矩阵。这些矩阵的元素的平方幅度包括本地峰值，其行和列坐标对应于用做到对应卫星的伪距离及这些伪距离的变化率的候选假定。这一程序重复数次以为每个可见卫星提供多个信号模糊性功能矩阵。然后，为每个可见卫星，选择最佳假定，例如，通过不相干地积分该矩阵，然后识别总和中最可能的峰值；或者通过将“检测之前跟踪(track before detect)”算法应用于该矩阵所有峰值的坐标。在任何情况下，使用一个恒定误报警率检测方案来识别峰值。

到固定信标的伪距离仅是同步脉冲串序列的到达测量时间和根据GPS系统时钟的同步脉冲串序列的发送时间之间的差值乘以光速。注意到，因为移动单元已经经定位器服务中心从参考单元接收到BTS时钟和GPS系统时钟之间的时间偏差，移动单元可以向GPS系统时钟参考这些发送时间。还注意到，因此，到BTS的伪距离参考应用于GPS卫星的相同距离偏移cb。因为移动单元获得每个固定信标伪距离，并且因为移动单元获得每个移动信标伪距离-伪距离变化率对，这些数据作为更新测量值输入到一个动态估计器以生成移动单元位置的更新估计。动态估计器最好根据一个线性最佳估计器，例如卡尔曼滤波器。动态估计器需要移动单元位置的初始估计。这个初始估计是通过三角测量获得的。在某些情况下，预定参考点，例如最近固定信标的位置也可以用作移动单元位置的初始估计。

附图的简要说明

参考附图，在此仅通过例子来描述本发明，在附图中：

图1是本发明的移动单元的方框图；

图2是本发明的定位器系统的示意图；

图3是本发明的参考单元的方框图；

图4是根据卫星伪距离、卫星伪距离变化率和基站伪距离的联合位置估计的流程图。

优选实施例的描述

本发明是根据来自诸如GPS卫星的移动信标和来自诸如无线通信系统的基站的固定信标的定时信号来定位一个移动单元，例如无线通信系统的移动单元的系统和方法。具体地说，本发明可以用于在诸如市区20环境中定位一个适当配置的蜂窝电话机，在所述市区环境中很难同时建立到四个或更多GPS卫星的视线。

尽管在此参考GPS系统和蜂窝电话网描述了本发明，显然这种描述纯粹是说明性的，如上所述，本发明的范围延伸到使用任意合适类型的移动和固定信标。

参考附图及其相关说明，可以更好地理解根据本发明的定位器系统和方法的原理和操作。

现在参见附图，图1是本发明的移动单元10的部分高层方框图。移动单元l0包括天线12，用于接收由GPS卫星发送的射频信号；下变频器14，用于将从GPS卫星接收到的射频信号下变频到中频(IF)；数字化器16，用于数字化中频信号；时钟22，用于提供本地定时信号；存储器18，用于存储数字化的GPS信号；和GPS处理器20，用于处理在存储器18中存储的信号。移动单元10还包括天线24，用于与蜂窝电话网的BTS交换射频信号；蜂窝调制解调器26，用于下变频和数字化从BTS接收到的控制信道射频信号；存储器27，用于存储数字化的BTS信号；和蜂窝处理器28，用于如下所述参考来自时钟22的定时信号处理数字化的BTS信号。GPS处理器20和蜂窝处理器28的输出在联合估计器30中协调，如下所述，以生成移动单元10是其一部分的移动单元的位置的联合估计。GPS处理器20、蜂窝处理器28和联合估计器20在管理单元29的统一管理下工作。具体地说，管理单元29确定补充数据的请求，并使用蜂窝调制解调器26和天线24，如下所述，将这些请求作为射频信号发送给BTS。

图2是本发明的定位器系统40的示意图。定位器系统40基于包括多个BTS44的常规蜂窝电话网42，并基于在图2中用卫星70表示的GPS系统。定位器系统40的地面部分在固定和已知位置上向蜂窝电话网42添加定位器服务中心46和多个参考单元50。每个参考单元50与一个或多个BTS44相关，并与这些BTS44通信，并经最近的BTS44与服务中心46通信。移动单元10还使用天线24和蜂窝调制解调器26经最近的BTS44从服务中心46接收消息，如下所述。

图3是参考单元50的高层方框图。参考单元50包括一个蜂窝通信模块(CCM)52，用于经蜂窝网42与服务中心46通信；基于GPS的时间参考模块66；和同步模块60，用于如下所述使CCM52与基于GPS的时间参考模块66同步。CCM52同时包括经天线58的发射功能54和接收功能56。基于GPS的时间参考模块66经天线68接收GPS卫星信号。同步模块包括一个时钟64，用于提供参考定时信号；和一个处理器62，用于如下所述建立GPS系统和与参考单元50相关的BTS44之间的定时偏差。每个参考单元50的主功能是确定这些定时偏差和将这些定时偏差发送给定位器服务中心46。参考单元50之一可以被设计为主参考单元。主参考单元具有从卫星70接收卫星数据消息和将这些卫星数据消息发送给定位器服务中心46的附加功能。

定位器服务中心46是蜂窝电话网42的一个节点，其功能是协调移动单元10和蜂窝电话网42之间的涉及移动单元10的自定位功能的通信。具体地说，一旦从移动单元10接收到一个查询，定位器服务中心46向移动单元10发送补充数据，例如GPS系统和一个或多个BTS44之间的定时偏差，和可选地可见卫星70的卫星数据消息。联合估计器30的功能可选地驻留在定位服务中心46中，GPS处理器20和蜂窝处理器28的输出被发送给定位服务中心46以便协调。

由移动单元10从GPS系统接收的信号作为时间t的函数是由可见的GPS卫星70在时间t上发射的信号G(t)之和。由移动单元10从任一卫星70接收的信号用索引j索引，形式为：

Gj(t)＝K_jD_j(t-τ_j)g_j(t-τ_j)exp[iω(t-τ_j)]

其中i是-1的平方根；τ_j是从卫星到移动单元10的无线电波的实际单向传播时间；K_j是根据在时间t上到卫星j的实际距离R_i＝cτ_j和GPS天线增益模式的幅度因数；D_j(t-τ_i)是卫星j在时间t-τ_j上的卫星数据消息；g_j(t-τ_j)是卫星j在时间t-τ_j上的PN序列；和exp[iω(t-τ_j)]是一个多普勒因数，其多普勒频率ω取决于卫星j相对于移动单元10的速度的径向分量、时钟22的偏差和移动单元10中的其它缺陷因素。由移动单元10接收的总信号G(t)是这些信号的总和，∑G_j(t)。

GPS处理器20中的处理目标是为所有的可见卫星测量ρ_j＝R_j+c_b及其变化率的dρ_j/d_t。注意到所有的伪距离ρ_j参考了同一距离偏差c_b。如在现有技术的方法中，c_b是随后求解的一个未知量以确定移动单元10的位置，所以并不需要明确地测量τ_j。

如在US5,663,734中，几百秒长的数字化总GPS信号被存储在存储器18中，然后由GPS处理器20处理。US5,663,734和本发明的GPS处理之间的一个差别在于根据本发明，远多于5到10个PN序列帧的组被相干处理。

由移动单元10接收的总信号由数字化器16过抽样，在一个初始接收时间t₀上开始，一般以每码片两个和四个抽样之间的抽样率进行。使用每码片四个抽样，每帧总共有4×1023＝4092个抽样。对于用索引j索引的每个可见卫星70，这些抽样作为矩阵M_ij的连续列存储，在每码片四个抽样的抽样率的情况下，包括4092行和与在该计算中包括的连续帧数同样多的列：M_ij的第一列，矩阵元素M_ij(1，1)到M_ij(4092，1)是第一4092个抽样，对应于第一毫秒长的数据；M_ij的第二列，矩阵元素M_ij(1，2)到M_ij(4092，2)是第二4092个抽样，对应于第二毫秒长的数据；等，共有n列，n等于存储在存储器18中数据的帧数，每帧一毫秒。优选地，为每个可见卫星70作为矩阵M_ij在存储器18中存储长度在100毫秒和1000毫秒之间的数据(100到1000帧)。

第一处理步骤是解调每个矩阵M_ij，即消除卫星数据消息D_j的影响。这通过将M_ij的多个列组乘以D_j(t-τ_j)的对应比特来进行。进行这种解调的一个必要前提是D_j的比特在大约1毫秒内与M_ij的列同步。这种同步在此被称为移动单元10与GPS系统的“近似同步”。

蜂窝电话网42可以在任何情况下与GPS系统时钟同步，例如，如果蜂窝电话网根据CDMA IS-95标准操作。移动单元10以常规模式与蜂窝电话网42同步。因为蜂窝电话网42在时间上与GPS系统时间同步，移动单元10还与GPS系统时间同步，从而能够相对于卫星数据消息D_j解调矩阵M_ij。

如果蜂窝电话网42不与GPS系统时钟同步，并且尤其是，如果BTS40彼此不同步，移动单元10仍然可以经定位器服务中心46从参考单元50获得根据GPS时钟的BTS44的同步脉冲串序列的发送时间。当参考单元50的CCM52从与参考单元50相关的一个BTS44接收到同步脉冲串序列时，同步模块60参考时钟64确定BTS44和GPS系统之间的时间偏差。因为参考单元50和相关的BTS44的位置是已知和固定的，从每个相关BTS44到参考单元50的传播时间也是已知的，所以时间偏差是指BTS44发送同步脉冲串序列的时间，而不是参考单元50接收同步脉冲串序列的时间。CCM52随后将这个时间偏差发送给定位器服务中心46。为每个相关BTS44的同步脉冲串序列进行该操作，以便定位器服务中心46始终具有来自GPS系统的所有BTS44的当前时间偏差列表。最后，移动单元10在请求的情况下从定位器服务中心46接收相关BTS44的当前时间偏差。最近的BTS44与GPS系统的时间偏差由移动单元10用于针对该偏差校正来自最近的BTS44的同步脉冲串序列的标称发送时间，从而获得它自己与GPS系统时间在30毫秒内的时间偏差T₀的估计值。BTS44与GPS系统的时间偏差还用于获得称作距离偏差c_b的BTS伪距离，如下所述。

如果用于构造矩阵M_ij的帧对应于卫星数据消息首部比特或卫星数据消息转移字比特，它们公用于所有卫星70的卫星数据消息，则移动单元10或者先验知道这些比特(在首部比特的情况下)，或者根据一周的时间计算出这些比特(在转移字比特的情况下)。在本发明的实施例中，其中主参考单元被指定接收卫星数据消息，并将这些卫星数据消息转发给定位器服务中心46，移动单元10将一个请求发送给定位器服务中心46以获得卫星数据消息D_j，从而卫星数据消息D_j的与卫星有关的比特可以被用于解调矩阵M_ij。

第二处理步骤是通过对矩阵M_ij的每一行执行离散正交变换将每个矩阵M_ij转换成M_iij，从而将这些行从时域转换到频域，以便矩阵M_iij是在混合时间-频率域内。最佳的离散正交变换是离散傅立叶变换，尽管本发明的范围包括其它变换，例如沃尔什-哈德曼变换，各种小波变换和哈特利变换。

第三处理步骤是将每个矩阵M_iij的元素与多普勒补偿因数相乘。用于矩阵M_iij的(r，d)元素的多普勒补偿因数的形式是 $\exp (-\frac{2\mathrm{\πir}}{m}(\frac{d}{n}+h)),$ 其中m是矩阵M_iij中的行数，n是矩阵M_iij中的列数，和h是以KHz测量的信号G_j(t)的多普勒频移的整数部分。注意到，对于矩阵M_ij每列的一个一毫秒PN帧，矩阵M_iij的每行横跨一KHz。一开始，每个卫星70的多普勒频移可以由移动单元10估计在大约4KHz。因此，需要四组不同的多普勒补偿因数，导致用于每个卫星j的四个不同的矩阵M_iij。因此，如下所述，获得卫星70的多普勒频移的更准确的估计，并且每个卫星j仅需要一个矩阵M_iij。为了简明，随后讨论根据本发明如何测量GPS伪距离和伪距离的变化率将以每个卫星j单个矩阵M_iij的形式进行。

第四处理步骤是卷积每个矩阵M_iij的每一列与卫星j的PN序列以生成一个矩阵M_j，这在距离和频率上等价于匹配滤波器，在雷达信号处理领域被称作“信号模糊性函数”。参见，例如Fred E.Nathanson的雷达设计原理(Radar DesignPrinciple)第二版(McGraw-Hill，1991)。通过在移动单元10与GPS系统近似同步之后，使用解调信号模糊性函数使得本发明能够相干处理远多于在Krasner的US5,663,734中相干处理的5到10个PN序列帧。最佳的卷积方法是公知的快速卷积法，同样被Krasner在US5,663,734中使用：对矩阵M_iij的一列执行离散傅立叶变换，将变换后的列乘以PN序列的离散傅立叶变换，并求逆该列的离散傅立叶变换。注意到将矩阵M_iij的元素乘以多普勒补偿因数与卫星有关的部分 $\exp (-\frac{2\mathrm{\πirh}}{m})$ 可以被推迟到这一步骤，并且对于M_iij的每个变换列，通过在将变换列乘以PN序列的离散傅立叶变换之前，适当地移位PN序列的离散傅立叶变换来进行。还注意到M_j的矩阵元素是复数。就其元素的平方值来说，矩阵M_j的整体外观是一组普通背景电平上的峰值。一个峰值的行坐标是其伪距离(距离单位)，一个峰值的列坐标(频率单位)正比于其伪距离的变化率(速度单位)。

尽管矩阵M_ij的最佳结构每列一帧，还可以每列多帧来构造矩阵M_ij，只要为每列使用整数个帧。使用每列一帧为确定伪距离的变化率提供了最佳分辨度。

一种恒定误报警率检测方案用于识别峰值。该检测方案最好基于一个自适应阈值，基于所获得的背景电平，逐矩阵元素地，通过平均围绕目标矩阵元素的一个窗口(例如8×8窗口或16×16窗口)中的所有矩阵元素的平方值。其平方值超过它们的本地平均值一个阈值因数的矩阵元素组是矩阵元素的孤立群的形式，每个群对应于一个峰值。峰值坐标是该群的质心，用该群中矩阵元素的幅度加权。如现有技术中公知的，通过所需的最大误报警率来确定阈值因数。

这一过程的输出是一组与初始接收时间t₀相关的伪距离ρ_j及其变化率dρ_j/dt的假定。在这一点上，与最可能是ρ_j和dρ_j/dt的最可靠测量值的峰值(例如最高峰值)相关的假定可以被选择以提供确定ρ_j和dρ_j/dt的坐标。然而，最好根据数字化总GPS信号的多个连续实例，生成矩阵M_j的多个实例。最好如此生成每个矩阵M_j五到十个这样的实例。随后的处理是为卫星j获得基于集总处理的所有M_j实例的ρ_j和dρ_j/dt的值。

集总处理M_j实例的一种方法是将它们非相干地积分。在标准非相干的积分中，所有实例的矩阵元素用它们的平方值替换；这些实例逐矩阵元素地彼此相加以生成一个求和矩阵；上述误报警检测方案用于识别求和矩阵的峰值；最可能是ρ_j和dρ_j/dt的最可靠测量值的峰值(例如最高峰值)坐标，被采用为ρ_j和dρ_j/dt的值。在二进制非相干积分中，所有实例的矩阵元素用它们的平方值替换，但是随后该恒定误报警检测方案被用于比较每个矩阵元素和一个阈值。超过阈值的矩阵元素用一替换，所有的其它矩阵元素用零替换。现在这些实例逐矩阵元素的彼此相加，以生成一个求和矩阵，并将第二阈值应用于该求和矩阵以识别其峰值。再次，最可能表示ρ_j和dρ_j/dt的最可靠测量值的求和矩阵的峰值坐标被用作的ρ_i和dρ_j/dt的值。

另一种获得基于集总处理的所有M_j实例的ρ_j和dρ_j/dt值的方法是与非相干积分中同样地将所有实例的矩阵元素用它们的平方值替换，但是随后将恒定误报警率检测方案分别应用于每个实例以为每个实例获得一组ρ_i和dρ_j/dt的假定。这些假定和它们的相关开始时间被输入给一个“检测之前跟踪”的识别方案以识别最可能的假定。“检测之前跟踪”是一种在雷达技术中公知的用于识别低信噪比环境下目标的方法。参见，例如上面引用的Fred E.Nathanson的书。

到BTS44的伪距离是所测量的同步脉冲串序列的到达时间和根据GPS系统时钟的同步脉冲串序列的标称发送时间之间的差值。如果蜂窝电话网42与GPS系统时钟同步，则根据时钟22的同步脉冲串序列的标称发送时间以时间偏差T₀偏离它们的实际时间，该时间偏差是根据时钟22卫星70的PN序列的标称发送时间与它们的实际时间的偏差。因此，到卫星70和到BTS44的所有伪距离共享同一距离偏差c_b。如果蜂窝电话网42与GPS系统时钟不同步，则移动单元10从定位器服务中心46获得BTS44与GPS系统的时间偏差，如上所述在为了解调目的移动单元10与GPS系统近似同步的情况下。移动单元10随后使用这些时间偏差来校正如由时钟22测量的来自BTS44的同步脉冲串序列的到达时间，以便到BTS44的伪距离参考与到卫星70的伪距离相同的距离偏差c_b。到可见卫星70的伪距离、到可见卫星70的伪距离的变化率和到BTS44的伪距离被输入给联合估计器30。

现在将讨论由联合估计器30组合来自GPS处理器20的伪距离ρ和伪距离变化率dρ/dt以及来自蜂窝处理器28的估计伪距离ρ以获得移动单元10位置的方法。这种方法的本质是使用每个新的测量值(与一个特定卫星70有关的伪距离ρ和伪距离变化率dρ/dt或与一个特定BTS44有关的伪距离ρ)，当获得测量值时，更新移动单元10的位置矢量r＝(x，y，z)^T和速度矢量v＝(v_x，v_y，v_z)^T的先验估计。(因此，该测量值在此被称作“更新测量值”)。如果移动单元10在连续的测量值之间保持固定和如果距离偏差c_b在连续的测量值之间保持不变，或者根据矩阵M_j获得四个或更多的测量值，所述矩阵M_j根据移动单元10同时从GPS系统接收到的信号计算出来，将可以通过三角测量固定移动单元10的位置。因为移动单元10运动并且c_b可能在连续的测量值之间漂移，如果将使用根据移动单元10在不同时间上接收到的GPS信号而获得的测量值，或者如果将使用到BTS44的伪距离，必须使用一种考虑移动单元10的运动和时钟22的漂移的估计r的方法。这样一种方法在此被称作“动态”估计法。最佳动态估计法属于线性最佳估计器类。最佳动态估计法基于一个卡尔曼滤波器。现在将详细描述这种方法。

在r和v的更新中，假定移动单元10以已知的方式运动。作为例子在此使用的移动单元10的运动模型是带有附加随机噪声的线性运动。也可以使用其它模型，例如被限制沿着一条已知路径的运动。根据移动单元10运动的线性模型，如果移动单元10在时间t_k-1上的位置矢量是r_k-1，移动单元10在时间t_k-1上的速度矢量是v_k-1，则在时间t_k＝t_k-1+δ_k上的位置和速度矢量是r_k＝r_{k- 1}+v_k-1δ_k和v_k＝v_k-1。距离偏差c_b被定义为由时钟22和GPS时钟测量的时间差值乘以光速c，距离漂移c_d被定义为d(c_b)/dt。则c_b(k)＝c_b(k-1)+c_d(k-1)δ_k和c_d(k)＝c_d(k-1)。该(八个分量)的导航矢量n被定义为r、v、c_b的级联，c_d：n＝(x，y，z，v_x，v_y，v_z，c_b，c_d)^T。

卡尔曼滤波器的状态矢量e＝(δx，δy，δz，δv_x，δv_y，δv_z，δc_b，δc_d)^T是所估计的导航误差，即实际导航矢量和线性传播导航矢量之间的差值。这个状态矢量符合传播等式：

e_k＝A_k-1e_k-1+w_k-1

其中跃迁矩阵A_k-1是 $A_{k-1}=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& {\mathrm{\δ}}_k& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& {\mathrm{\δ}}_k& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& {\mathrm{\δ}}_k& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& {\mathrm{\δ}}_{k}c\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中W_k-1是处理噪声，W_k通过模型噪声协方差矩阵Q_k-1来定义： ${\mathrm{\δ}}_{k-1}=w_{k-1}{w_{k-1}}^T=\left[\begin{array}{cccccccc}{\mathrm{RW}}_k& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{RW}}_y& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& W\end{array}\right]$

其中RW_x和RW_y是被模型化为随机游动的在x和y方向上的处理噪声的协方差(注意假定移动单元10基本上在(x，y)平面上运动)，W是被模型化为白噪声的距离偏移误差协方差。

在移动单元10的位置矢量r和速度矢量v更新之后，状态矢量e立即用零来定义。随后，直到下一次测量，当导航矢量n在时间上向前传播时，状态矢量的协方差，一个8×8矩阵P也在时间上向前传播：

P^- _k＝AP⁺ _k-1A^T+Qδ_k

在此，上标“+”是指最新更新之后的P的后验估计，下标“-”是指在下一更新之前的P的先验估计。P的初始化被讨论如下。

根据来自卫星70的一个信号获得的测量值是一个二分量矢量，z＝(ρ，dρ/dt)^T。将状态矢量e与在时间t_k上的测量矢量相关的矩阵H_k是： $H_k=\left[\begin{array}{cccccccc}{u}_x& u_y& u_z& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& u_x& u_y& u_z& 0& 1\end{array}\right]$

其中矢量u＝(u_x，u_y，u_z)是从移动单元10的估计位置到卫星70的单位矢量：

u＝(r_k-s_k)/|r_k-s_k|

r_k是通过如上所述的前向传播获得的先验移动单元10位置矢量。s_k是由GPS处理器20使用卫星70的卫星星历图和时间模型获得的时间t_k上的卫星70的位置矢量。

根据来自BTS44的一个信号获得的测量值是一个标量(单分量矢量)，z＝ρ。将状态矢量e与在时间t_k上的测量矢量相关的矩阵H_k是：

H_k＝(u_x u_y u_z 0 0 0 1 0)

其中矢量u＝(u_x，u_y，u_z)是从移动单元10到BTS44的单位矢量。注意到BTS44的位置是固定和已知的。

在两种情况下，通过相乘该测量值和卡尔曼增益矩阵K_k获得一个e的估计值： $K_k={P^{-}}_k{H}_k^T{(H_k{P^{-}}_k{H}_k^T+R_k)}^{-1}$

e＝k_kz

其中测量噪声协方差矩阵R_k对于一个卫星测量值是： $R_k=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_r^2& 0\\ 0& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{d\τ}/\mathrm{dt}}^2\end{array}\right]$

对于一个BTS测量值是： $R_k=\left({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\τ}}^2\right)$

σ_k的对角元素是对应的伪距离和伪距离变化率测量误差的协方差。获得一个新的P的后验估计如下：

P⁺ _k＝(I-K_kH_k)P^- _k

其中I是单位矩阵。最后，通过相加状态矢量e和一个先验导航矢量n_k获得一个后验导航矢量n_k ⁺：x_k ⁺＝x_k+δx，y_k ⁺＝y_k+δy，z_k ⁺＝z_k+δz，v_xk ⁺＝v_xk+δv_x，v_yk ⁺＝v_yk+δv_y，v_zk ⁺＝v_zk ⁺δv_z，c_bk ⁺＝c_bk+δc_b和c_dk ⁺＝c_dk+δc_d。

图4是由联合估计器30执行以跟踪移动单元10运动的整体处理的流程图。通过将协方差矩阵P的对角元素设置为反映r、v、c_b和c_d的误差的初始标准偏差的初始值，并利用导航矢量n的初始估计初始化该处理(方框100)。下面讨论如何获得n的初始估计值。在方框102，联合估计器30确定是否已经从GPS处理器20或者从蜂窝处理器28获得一个测量矢量z。如果尚未获得一个测量值，则联合估计器30如上所述在时间上向前传播导航矢量n(方框104)。如果已获得一个测量值，则联合估计器使用上述卡尔曼滤波器以获得导航矢量n的后验估计(方框106)。注意到n的这一更新基于单个新测量值，与在现有技术的GPS导航中使用卡尔曼滤波器不同，其中需要至少四个独立的同时测量值。报告该后验估计(方框108)，联合估计器30再次检查来自GPS处理器20或者来自蜂窝处理器28的一个新测量矢量z。

存在可以获得导航矢量n的初始估计值的多种方法。最简单的，一个静态估计值在方框100中被用作r的初始估计值，并将v初始设置为零。利用静态估计意味着在执行测量时移动单元10并不移动和在执行测量时距离偏差c_b固定的假定下执行估计。最简单的r的“静态”估计是预先定义的参考点的位置，例如距离移动单元10最近的BTS44。c_b和c_d也被初始化为零。如果前四个测量值是卫星测量值，这种估计适合在图4的方框100中使用，因为在使用一个陆地参考点位置中的误差远小于到卫星的距离。使用三角测量来组合来自卫星的初始测量值和来自BTS44的初始测量值，条件是使用来自BTS44的测量值的等式是完全(二次)三角测量等式：|s-r|＝ρ-c_b，而不是线性化等式，因为BTS44距离移动单元10很近以至于不能验证该等式的线性化。同时求解二次和线性等式的数学技术是公知的，在此不需要描述。

一旦开始移动单元10的跟踪，上述处理可以更加准确和有效。例如，可以更准确地估计信号G_j(t)的多普勒频移。总多普勒频移是三项之和：由于卫星j运动的多普勒频移、由于移动单元10运动的多普勒频移和时钟22漂移的影响。第一项可以根据卫星j的星历图和时间模型计算。移动单元10运动很慢，因此可以忽略第二项。在总多普勒频移中主要的初始不确定性在于第三项；但是该项可以从导航矢量n的距离偏移分量c_d推导出。然后可以获得一个h的估计值，G_j(t)的多普勒频移的整数部分(以上述初始估计值精确得多)，以用于矩阵M_iij的多普勒补偿因数中。而且，与整个矩阵M_i的1KHz范围相比，最可能包含对应于ρ_j和dρ_j/dt的峰值的M_j的列可以被预计在10至20Hz内，所以仅需要通过矩阵M_ij的离散正交变换生成矩阵M_iij的这些列。

另选地，在已经为一个卫星70计算出伪距离及其伪距离的变化率之后，通过将所计算的最近BTS44的多普勒频移从对应于到这个卫星70的伪距离变化率的明显的多普勒频移减去，移动单元可以估计总多普勒频移的时钟偏移项。该所估计的时钟偏移项与其它卫星70的移动所导致的已知多普勒频移相加以提供其它卫星70的总多普勒频移的估计值。

虽然已经参考有限个实施例描述了本发明，显然也可以对本发明进行各种变型、修改和其它应用。

Claims (97)

1.一种确定到一个信标的伪距离及其变化率的方法，所述信标发送一个包括多个块的信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每一块与一个数据序列的一个比特相乘，该信号相对于一个标称频率偏移一个频移，该方法包括步骤：

(a)接收信号；

(b)数字化所接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；

(c)将该数字化信号排列为包括多行的一个输入矩阵的列，每个所述列包括对应于整数个伪噪声序列帧的所述数字化信号的连续的所述比特；和

(d)对所述输入矩阵的所述每行执行一个离散正交变换，从而生成一个变换矩阵。

2.权利要求1的方法，其中所述整数为1。

3.权利要求1的方法，其中所述离散正交变换是一个离散傅立叶变换。

4.权利要求1的方法，其中所述变换矩阵包括多个元素，该方法还包括步骤：

(e)将所述变换矩阵的每个所述元素乘以一个相应的多普勒补偿因数。

5.权利要求4的方法，还包括步骤：

(f)提供一个频移估计值，所述多普勒补偿因数基于所述频移估计值。

6.权利要求5的方法，其中所述变换矩阵具有比所述输入矩阵更少的所述列，所述频移估计值被用于确定所述变换矩阵的哪些所述列通过所述离散正交变换生成。

7.权利要求4的方法，还包括步骤：

(f)卷积所述变换矩阵的每个所述列与伪噪声序列。

8.权利要求7的方法，还包括步骤：

(g)在所述变换矩阵中识别至少一个峰值，每个所述至少一个峰值具有一个行坐标和一个列坐标。

9.权利要求8的方法，还包括步骤：

(h)从所述至少一个峰值中选择一个最可能的峰值，所述最可能的峰值的所述行坐标则对应于伪距离，和所述最可能峰值的所述列坐标则对应于伪距离的变化率。

10.权利要求8的方法，其中对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述排列、所述执行、所述相乘、所述卷积和所述识别，该方法还包括步骤：

(h)根据所述行坐标和所述列坐标推断出伪距离和伪距离的变化率。

11.权利要求10的方法，其中使用一个检测之前跟踪识别方案来执行所述推断。

12.权利要求7的方法，对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述排列、所述执行、所述相乘和所述卷积以生成对应的多个所述变换矩阵，该方法还包括步骤：

(h)非相干地积分所述变换矩阵以生成一个求和矩阵；和

(i)在所述求和矩阵中识别至少一个峰值，每个所述至少一个峰值具有一个行坐标和一个列坐标。

13.权利要求12的方法，还包括步骤：

(j)从所述至少一个峰值中选择一个最可能的峰值，所述最可能的峰值的所述行坐标则对应于伪距离，和所述最可能峰值的所述列坐标则对应于伪距离的变化率。

14.权利要求4的方法，还包括步骤：

(g)提供频移的多个估计值，从而为所述变换矩阵的每个所述元素生成基于所述频移估计值的对应多个所述各多普勒补偿因数；

其中为每个所述频移估计值分别执行所述相乘，从而生成对应多个多普勒补偿矩阵。

15.权利要求1的方法，还包括步骤：

(e)在将所述数字化信号排列为所述输入矩阵的列之前，将对应于所发送信号块的所述数字化信号的所述比特的组乘以数据序列的相应比特。

16.一种确定到多个信标中每个信标的伪距离及其变化率的方法，每个信标发送一个包括多个块的相应信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每个块与一个数据序列的一个比特相乘，该伪噪声序列和数据序列唯一地与各个卫星相关，所有的伪噪声序列长度相同，伪噪声序列是相互正交的，该方法包括步骤：

(a)集总接收被发射的信号作为一个接收信号；

(b)数字化所述被接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；和

(c)对于每个信标，将对应于由所述每个信标发射的信号块的所述数字化信号的所述比特的组乘以所述每个信标的数据序列的相应比特。

17.权利要求16的方法，还包括步骤：

(d)对于每个信标，将所述数字化信号排列为包括多行的第一矩阵的一个对应实例的列，每个所述列包括对应于整数个伪噪声序列帧的所述数字化信号的连续的所述比特；和

(e)对于每个信标，对所述第一矩阵的所述对应实例的每个所述行执行一个离散正交变换。

18.权利要求17的方法，其中所述第一矩阵的每个所述实例包括多个元素，该方法还包括步骤：对于每个信标：

(f)将所述第一矩阵的所述对应实例的每个所述元素乘以一个相应的多普勒补偿因数；和

(g)卷积所述第一矩阵的所述对应实例的每个所述列与所述每个信标的所述伪噪声序列。

19.权利要求18的方法，还包括步骤：

(h)对于每个信标，在所述第一矩阵的所述对应实例中识别至少一个峰值，每个所述至少一个峰值具有一个行坐标和一个列坐标。

20.权利要求19的方法，还包括步骤：

(i)对于每个信标，从所述至少一个峰值中选择一个最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐标则对应于所述每个信标的伪距离，和所述最可能峰值的所述列坐标则对应于所述每个信标的伪距离的变化率。

21.权利要求20的方法，其中对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述乘以数据序列的相应比特、所述排列、所述执行、把所述元素乘以所述多普勒补偿因数、所述卷积和所述识别，该方法还包括步骤：

(j)对于每个信标，根据对应于所述每个信标的所述行坐标和所述列坐标推断出所述每个信标的伪距离和所述每个信标的伪距离变化率。

22.权利要求18的方法，其中对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述乘以数据序列的相应比特、所述排列、所述执行、把所述元素乘以所述多普勒补偿因数、和所述卷积以为每个信标生成对应多个所述第二矩阵，该方法还包括步骤：对于每个信标：

(h)非相干地积分所述第二矩阵以生成一个求和矩阵；和

(i)在所述求和矩阵中识别至少一个峰值，每个所述至少一个峰值具有一个行坐标和一个列坐标。

23.权利要求22的方法，还包括步骤：对于每个信标：

(j)从所述至少一个峰值中选择一个最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐标则对应于伪距离，和所述最可能峰值的所述列坐标则对应于伪距离的变化率。

24.权利要求16的方法，其中所述数据序列的所述各比特公用于所有信标。

25.一种接收机，用于接收一个信标所发射的一个信号，该信号包括一个伪噪声序列的多个帧，包括：

(a)一个用于接收被发射信号的天线；

(b)一个用于数字化所接收的信号以生成一个包括多个比特的数字化信号的装置；

(c)一个存储器，用于将该数字化信号作为一个包括多行的矩阵的列存储，每个所述列包括对应于整数个伪噪声序列帧的所述数字化信号的连续的所述多个比特；和

(d)一个处理器，用于对所述矩阵的所述每行执行一个离散正交变换。

26.一种用于定位一个移动单元的定位器系统，包括：

(a)至少一个信标，具有一个相应的伪噪声序列和一个相应的数据序列，每个所述数据序列包括多个比特，所述至少一个信标中的每个信标可操作地发射一个相应的发射信号，每个所述各发射信号包括多个块，每个所述块包括所述各伪噪声序列的多个帧，每个所述块与所述各数据序列的一个比特相乘；

(b)一个参考单元包括：

(i)一个参考单元接收机，用于：

(A)接收所述至少一个发射信号作为一个参考单元接收信号；和

(B)从所述各参考单元接收信号中恢复所述至少一个数据序列；

(ii)一个发射机，用于向至少一个移动单元发送所述至少一个数据序列；和

(c)在移动单元中：

(i)第一移动单元接收机，用于接收所述至少一个数据序列；和

(ii)第二移动单元接收机，包括：

(A)一个天线，用于集总接收至少一个发射信号作为一个移动单元接收信号；

(B)一个用于数字化移动单元接收信号以生成一个包括多个比特的数字化信号的装置；

(C)一个存储器，用于为至少一个信标中的每个信标存储所述数字化信号的一个实例；和

(D)一个处理器，用于相乘所述数字化信号的每个所述至少一个实例与所述各数据序列的所述多个比特。

27.权利要求26的定位器系统，其中所述至少一个信标中的每个信标在发送所述各发送信号的同时可操作地沿着一条已知相应轨迹运动。

28.权利要求26的定位器系统，其中所述处理器可操作地为至少一个信标中的每个信标将所述存储器中的所述数字化信号的所述对应实例排列为一个包括多行的矩阵的列，每个所述列包括所述对应实例的连续的所述比特，所述对应实例对应于所述各伪噪声序列的整数个帧，并对所述矩阵的每个所述行执行一个离散正交变换。

29.一种用于确定接收机位置的方法，包括步骤：

(a)提供具有各自伪噪声序列的多个信标，所有的所述伪噪声序列长度相同；

(b)由每个所述信标发射一个相应信号，该信号包括所述各伪噪声序列的多个帧；

(c)由接收机集总接收所发射的信号作为一个接收信号；

(d)为每个信标推断一个伪距离和所述伪距离的变化率；和

(e)根据所述伪距离和所述伪距离的所述变化率推断接收机的位置。

30.权利要求29的方法，其中由下述步骤执行所述伪距离和所述变化率的所述推断：

(i)数字化所述被接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；

(ii)对于每个所述信标，将所述数字化信号排列为包括多行的一个矩阵的列，每个所述列包括对应于所述伪噪声序列的整数个所述帧的所述数字化信号的连续的所述比特；和

(iii)对于每个信标，对所述矩阵的每个所述行执行一个离散正交变换。

31.一种确定到一个信标的伪距离及其变化率的方法，所述信标发送一个包括多个块的信号，每个块包括一个伪噪声序列的多个帧，每个块乘以一个数据序列的一个比特，该信号相对于一个标称频率被偏移一个多普勒频移，该方法包括步骤：

(a)接收信号；

(b)数字化所接收的信号，从而生成一个包括多个比特的数字化信号；

(c)将一个匹配滤波器算法应用于所述数字化信号以从中提取伪距离和伪距离的变化率，所述匹配滤波器算法包括：

(i)相对于该数据序列解调所述数字化信号。

32.权利要求31的方法，还包括步骤：

(d)在所述解调之前，同步数据序列的多个比特与所述数字化信号。

33.权利要求32的方法，其中所述同步在大约一个毫秒之内。

34.权利要求31的方法，其中所述匹配滤波器算法还包括：

(ii)将所述数字化信号排列为包括多行的一个矩阵的列，每个所述列包括对应于整数个伪噪声序列帧的所述数字化信号的连续的所述比特；和

(iii)对每个所述行执行一个离散正交变换。

35.权利要求34的方法，其中所述矩阵包括多个元素，并且其中所述匹配滤波器算法还包括：

(iv)将每个所述元素乘以一个相应的多普勒补偿因数。

36.权利要求35的方法，其中所述匹配滤波器算法还包括：

(v)卷积每个所述列与伪噪声序列；和

(vi)在所述矩阵中识别至少一个峰值，所述至少一个峰值中的每个峰值具有一个行坐标和一个列坐标。

37.权利要求36的方法，其中对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述排列、所述执行、所述相乘、所述卷积和所述识别，其中所述匹配滤波器算法还包括：

(vii)根据所述行坐标和所述列坐标推断出伪距离和伪距离的变化率。

38.权利要求36的方法，对发送信号的多个实例执行所述接收、所述数字化、所述排列、所述执行、所述相乘和所述卷积以生成对应的多个所述矩阵，其中所述匹配滤波器算法还包括：

(viii)非相干地积分所述矩阵以生成一个求和矩阵；和

(ix)在所述求和矩阵中识别至少一个峰值，所述至少一个峰值中每个峰值具有一个行坐标和一个列坐标；和

(x)从所述至少一个峰值中选择一个最可能的峰值，所述最可能峰值的所述行坐标则对应于伪距离，和所述最可能峰值的所述列坐标则对应于伪距离的变化率。

39.一种定位一个移动单元的方法，包括步骤：

(a)提供多个异步固定信标，每个所述固定信标发送一个相应的固定信标信号；

(b)提供多个在已知的各个轨迹上运动的移动信标，每个所述移动信标发送一个相应的移动信标信号，所有的所述移动信标相互同步；

(c)对于至少一个所述固定信标中的每个信标：

(i)由移动单元接收所述各固定信标信号；和

(ii)根据所述各固定信标信号推断与到所述每个固定信标的距离相关的至少一个参数；

(d)对于所述至少一个所述移动信标中的每个信标：

(i)由移动单元接收所述各移动信标信号；和

(ii)根据相应的移动信标信号推断与到所述每个移动信标的距离相关的至少一个参数；

(e)通过下述步骤使移动单元和所述固定信标与所述移动信标同步，包括：

(i)为每个所述固定信标提供一个参考单元，用于测量所述移动信标和所述每个固定信标之间的时间偏差；

(ii)由所述参考单元测量所述时间偏差；

(iii)从一个相应的所述参考单元向移动单元发送至少一个所述时间偏差，

所述参数的所述推断基于所述同步；和

(f)根据所述参数推断移动单元的位置。

40.权利要求39的方法，其中所述参数的所述推断和所述位置的所述推断由移动单元来执行。

41.权利要求39的方法，其中所述固定信标是一个通信系统的基站。

42.权利要求39的方法，其中所述移动信标是卫星。

43.权利要求39的方法，其中所述参数包括伪距离。

44.权利要求43的方法，还包括步骤：

(g)对于所述至少一个移动信标的每个信标，根据所述各移动信标信号推断到所述每个移动信标的所述伪距离的变化率；

并且其中与到所述移动信标的所述距离相关的所述参数包括所述变化率。

45.一种跟踪一个移动单元的方法，包括步骤：

(a)提供多个信标，每个所述信标发射一个相应的测距信号；

(b)获得移动单元位置的一个初始估计；

(c)由移动单元接收一个所述测距信号；

(d)根据所述测距信号推断与到发射所述测距信号的所述信标的距离相关的至少一个参数；和

(e)根据包括所述位置的所述初始估计的一个初始状态估计和包括所述至少一个参数的一个更新测量值获得所述移动单元位置的一个更新估计。

46.权利要求45的方法，其中至少一些所述信标是固定信标。

47.权利要求46的方法，其中所述固定信标是一个通信系统的基站。

48.权利要求46的方法，其中至少一些所述信标是沿着已知各个轨迹运动的移动信标。

49.权利要求48的方法，其中所述移动信标是卫星。

50.权利要求45的方法，其中所述至少一个参数包括一个伪距离。

51.权利要求50的方法，其中所述至少一个参数包括一个所述伪距离的变化率。

52.权利要求51的方法，其中所述更新使用一个动态估计器来执行。

53.权利要求52的方法，其中所述动态估计器包括一个线性最佳估计器。

54.权利要求53的方法，其中所述线性最佳估计器是一个卡尔曼滤波器。

55.权利要求52的方法，其中所述动态估计器包括移动单元的运动模型。

56.权利要求45的方法，其中所述位置的所述初始估计值是一个预先定义的参考点的位置。

57.权利要求45的方法，其中通过三角测量来执行所述位置的所述初始估计值的所述获得。

58.权利要求45的方法，其中所述更新估计值仅基于所述初始位置和所述至少一个参数。

59.权利要求45的方法，其中所述更新测量值仅包括所述至少一个参数。

60.权利要求45的方法，还包括步骤：

(f)获得移动单元速度的一个初始估计值；

所述初始状态估计包括所述速度的所述初始估计值。

61.一种用于定位一个移动单元的定位器系统，包括：

(a)多个异步固定信标，每个所述固定信标可操作地发射一个相应的固定信标信号；

(b)多个移动信标，每个所述移动信标可操作地发射一个相应的移动信标信号，同时在一条已知轨迹上移动，所有的所述移动信标彼此同步；和

(c)在移动单元中：

(i)一个移动单元时钟，用于生成一个移动单元定时信号；

(ii)第一移动单元接收机，用于接收和数字化所述固定信标信号；

(iii)第二移动单元接收机，用于接收和数字化所述移动信标信号，从而生成相应的数字化移动信标信号；

(iv)一个存储器，用于存储所述数字化移动信标信号；

(v)一个移动单元处理器，用于将每个所述固定信标信号转换成一个相应的固定信标伪距离，和在将所述每个数字化移动信标信号存储在所述存储器中之后，将每个所述数字化移动信标信号转换成一个相应的移动信标伪距离；和

(d)至少一个参考单元包括：

(i)第一参考接收机，用于接收所述移动信标信号，并从中推断所述移动信标信号的共同开始时间；

(ii)第二参考单元接收机，用于从至少一个相应的所述固定信标接收至少一个所述固定信标信号；

(iii)一个参考单元时钟，用于生成一个参考单元定时信号；

(iv)一个参考单元处理器，用于为所述至少一个相应的固定信标中的每个推断出所述至少一个相应固定信标信号的开始时间与所述移动信标信号的所述共同开始时间之间的定时偏差；和

(iii)一个发射机，用于发射所述至少一个定时偏差；

所述第一移动单元接收机可操作地从所述至少一个参考单元发射机中的每个接收所述至少一个定时偏差；

所述伪距离同时参考所述移动单元定时信号和所述至少一个定时偏差。

62.权利要求61的定位器系统，其中所述移动单元处理器还可操作地将每个所述数字化移动信标信号转换成所述对应移动信标伪距离的一个变化率。

63.权利要求61的定位器系统，其中所述移动单元处理器还可操作地根据所述伪距离推断出该移动单元的位置。

64.一种用于定位一个移动单元的定位器系统，包括：

(a)多个信标，每个所述信标发射一个相应的测距信号；和

(b)在移动单元中：

(i)一个用于获得移动单元位置的初始估计的装置；

(ii)一个用于接收所述测距信号的接收机；

(iii)一个处理器，用于根据一个所述测距信号推断出与到发射所述测距信号的所述信标的距离相关的至少一个参数；和

(iv)一个更新装置，用于根据包括所述至少一个参数的更新测量来更新所述位置估计。

65.权利要求64的定位器系统，其中至少一些所述信标是固定的。

66.权利要求65的定位器系统，其中所述固定信标是一个通信系统的基站。

67.权利要求66的定位器系统，其中至少一些所述信标是在沿着已知各个轨迹运动的移动信标。

68.权利要求67的定位器系统，其中所述移动信标是卫星。

69.权利要求64的定位器系统，其中所述至少一个参数包括一个伪距离。

70.权利要求69的定位器系统，其中所述至少一个参数包括所述伪距离的变化率。

71.权利要求70的定位器系统，其中所述更新装置包括一个动态估计器。

72.权利要求71的定位器系统，其中所述动态估计器包括一个线性最佳估计器。

73.权利要求72的定位器系统，其中所述线性最佳估计器是一个卡尔曼滤波器。

74.权利要求71的定位器系统，其中所述动态估计器包括移动单元的一个运动模型。

75.权利要求64的定位器系统，其中所述更新测量仅包括所述至少一个参数。

76.一种跟踪移动单元的方法，包括步骤：

(a)提供多个移动信标，每个所述移动信标发射一个相应的测距信号；

(b)提供多个固定信标，每个所述固定信标发射一个相应的测距信号；

(c)获得移动单元位置的初始估计；

(d)由移动单元从所述多个信标中的一个相应所述信标接收第一所述测距信号；

(e)根据所述第一测距信号推断出与到发射所述第一测距信号的所述信标的距离相关的至少一个参数；

(f)根据所述初始位置和与到发射所述第一测距信号的所述信标的所述距离相关的所述至少一个参数获得移动单元的所述位置的第一更新估计；

(g)由移动单元从另外的所述多个信标中的一个相应所述信标接收第二所述测距信号；

(h)根据所述第二测距信号推断出与到发射所述第二测距信号的所述信标的距离相关的至少一个参数；和

(i)根据所述第一更新位置和与到发射所述第二测距信号的所述信标的所述距离相关的所述至少一个参数获得移动单元的所述位置的第二更新估计。

77.权利要求76的方法，其中所述移动信标是卫星。

78.权利要求76的方法，其中所述固定信标是一个通信系统的基站。

79.权利要求76的方法，其中对于至少一个所述测距信号，根据所述至少一个测距信号推断出的所述至少一个参数包括一个伪距离。

80.权利要求76的方法，其中对于从一个所述移动信标接收到的所述测距信号，根据所述测距信号推断出的所述至少一个参数包括一个伪距离和一个所述伪距离的变化率。

81.权利要求76的方法，其中使用动态估计器执行所述更新。

82.权利要求81的方法，其中所述动态估计器包括一个线性最佳估计器。

83.权利要求82的方法，其中所述线性最佳估计器是一个卡尔曼滤波器。

84.权利要求82的方法，其中所述动态估计器包括移动单元的一个运动模型。

85.权利要求76的方法，其中所述位置的所述初始估计是一个预先定义的参考点的位置。

86.权利要求85的方法，其中所述预先定义参考点是一个所述固定信标的位置。

87.权利要求76的方法，其中通过三角测量执行所述位置的所述初始估计的所述获得。

88.权利要求76的方法，其中所述第一更新估计仅基于所述初始位置和根据所述第一测距信号推断出的所述至少一个参数，并且其中所述第二更新估计仅基于所述第一更新估计和根据所述第二测距信号推断出的所述至少一个参数。

89.一种用于定位一个移动单元的定位器系统，包括：

(a)多个移动信标，每个所述移动信标发射一个相应的测距信号；

(b)多个固定信标，每个所述固定信标发射一个相应的测距信号；和

(c)在移动单元中：

(i)一个用于获得移动单元位置的初始估计的装置；

(ii)一个用于接收所述测距信号的接收机；

(iii)一个处理器，用于根据每个所述测距信号推断出与到发射所述测距信号的所述信标的距离相关的至少一个参数；和

(iv)一个更新装置，用于使用与到所述多个信标中的一个信标的所述距离相关的所述至少一个参数更新所述初始位置估计，从而提供移动单元的所述位置的第一更新估计，和使用与到另外的所述多个信标中的一个信标的所述距离相关的所述至少一个参数更新所述第一更新估计。

90.权利要求89的定位器系统，其中所述移动信标是卫星。

91.权利要求89的定位器系统，其中所述固定信标是一个通信系统的基站。

92.权利要求89的定位器系统，其中每个所述至少一个参数包括一个伪距离。

93.权利要求89的定位器系统，其中对于从一个所述移动信标接收到的每个所述测距信号，根据所述每个测距信号推断出的所述至少一个参数包括一个伪距离和一个所述伪距离的变化率。

94.权利要求89的定位器系统，其中所述更新装置包括一个动态估计器。

95.权利要求94的定位器系统，其中所述动态估计器包括一个线性最佳估计器。

96.权利要求95的定位器系统，其中所述线性最佳估计器是一个卡尔曼滤波器。

97.权利要求94的定位器系统，其中所述动态估计器包括移动单元的一个运动模型。