CN1689191A - 一种在时分多址(tdma)定位网络中抑制多径及提高信噪比的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

阐述了一种包括若干按时序同步的时分多址(TDMA)定位单元装置和一个包含TDMA自适应定向天线阵的位置接收机的定位系统。若干按时序同步的定位单元装置被放置在已知位置，按照预定的时分多址(TDMA)序列发射定位信号，以便每个定位单元装置有一个唯一发送时隙。TDMA自适应定向天线阵被配置来不断控制定向接收天线和若干时分多址(TDMA)定位单元装置发射保持空间同步，以便定向接收天线对朝当前发射的定位单元装置，或者定向接收天线对朝当前收到的定位信号的信号源。TDMA自适应定向天线阵由一个确定性算法控制，这个算法基于这些信息：定位单元装置的位置、TDMA自适应定向天线阵的位置、TDMA自适应定向天线阵的空间方位角、网络时分多址(TDMA)发射序列、定位单元装置定位信号的传播延迟以及网络时间。

Description

一种在时分多址(TDMA)定位网络中 抑制多径及提高信噪比的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及用于为噪音和多径干扰下的移动设备产生精确的位置测定的系统和方法。本发明尤其应用于在接收到的由时分多址(TDMA)定位网络产生的定位信号中抑制码和载波相位多径以及提高信噪比。
背景技术
在所有射频(RF)定位系统中最大的误差源之一是多径。多径是指信号通过两条道路或更多路径到达接收天线的现象。典型的情况是接收天线收到直达信号以及由接收天线附近建筑反射的一个或多个信号。接下来由位置接收机测定的距离是这些接收到的信号的叠加，其通常由于多径反射的延迟特性而被测定为“长”。所以，多径反射造成了定位网络中码基伪距偏差，从而实质上降低位置接收机测定的绝对位置精度。此外，多径反射到达接收天线的信号相位不同于直达信号，与直达信号叠加时会减弱信号，因而造成接收信号功率损失，称作信号衰落。中等程度的信号衰落造成被测载波相位误差达到+/-90度，伪距偏差则达到几十至上百米。严重的信号衰落造成接收机跟踪回路不稳定，周跳，达数百上千米的伪距离偏差，并且可能完全失去对定位信号的锁定。而且，意外测量偏轴的多径信号会破坏接收机的多普勒测量，导致位置接收机测量的速度和载波距精度明显降低。这样读取的速度测量值为“低”，综合载波相位的测距为“短”。
接收到的定位信号信噪比也影响测距信号的测量精度。一般来说，接收的信号强度越大，测量精度越高。信噪比因为这些因素降低：(1)与发射源间的距离增加，(2)由于建筑和树木等视线遮挡物造成的信号衰减，(3)多径信号衰落，以及(4)蓄意或无意的信号干扰发射机以定位信号的频率发射信号而造成本底噪声增加。
使用天线设计来抑制噪音和多径的先有技术方法主要集中在两个关键领域：(1)多径限制天线，和(2)可编程多波束天线阵。多径限制天线通过改变接收天线增益方向图来减少反射的偏轴信号强度。这种天线最常见的形式是所谓的扼流环(choke ring)天线，其在GPS应用中用来抑制卫星信号地面反射。多径限制天线通常在一个固定方向放置一个定向增益天线，它一般被放置以避开不希望遇到的反射面(对于扼流环GPS天线来说即地面)。这种方法在强多径环境中应用不多，比如室内或市区，其中存在许多方向包括建筑，墙，地板，天花板、家具和人反射来的信号。
可编程多波束天线阵动态改变接收天线增益方向图来减少干扰源(如蓄意的信号干扰发射机)的影响，同时也减少多径效应。可编程多波束天线阵或者(1)组合若干天线单元在单个天线增益方向图中产生一个零陷(gain null)，或者(2)组合若干定向增益天线，每个天线对朝一个GPS卫星，以在单个天线增益方向图中产生若干峰值，或者(3)通过一个接收机电路矩阵，分别监测若干定向增益天线，每个天线对朝一个GPS卫星。在天线增益方向图上产生动态可调零陷的可编程多波束天线阵，可用于抑制信号干扰的影响，从而通过减少噪音源方向的天线增益来提高接收的信噪比。但是这种天线阵在强多径环境中用于抑制多径的应用不多，在所述环境下多径信号的反射来自许多个方向。在天线增益方向图上产生若干动态可调增益峰值的可编程多波束天线阵，通过增加卫星方向的增益和减小噪音源方向的增益来抑制信号干扰的影响并提高接收的信噪比。但是这种天线阵在强多径环境中用于抑制多径的应用不多，在所述环境下在本用来接收其它卫星定位信号的偏轴天线增益峰上接收到大量多径信号。通过一个接收机电路矩阵分别监测若干定向增益天线可用于抑制信号干扰的影响并提高接收的信噪比，同时抑制多径效应。但是接收机电路矩阵有许多不足，包括：(a)可能把因使用不同接收路径带来的时变的群延迟和线路偏差引入各个定位信号的测量中。这些延迟随元件温度和供电电压的改变而改变，造成时变的测距误差，从而引起位置接收机位置速度时间(PVT)解求得的位置不精确；(b)由于附加的射频(RF)电路产生大量的电消耗，使位置接收机不适合电池重量和尺寸受限的应用；(c)比起标准单前端接收机设计需要成比例地增加电子元件，使位置接收机的生产相对昂贵；以及(d)为容纳附加接收电路而需要大尺寸因子，使得接收机比标准单前端接收机更大。能产生定位信号而不受严重多径和信噪比下降这些阻碍的影响、也不受以上任何约束的系统是迫切需要的。如下所述，本发明通过让时分多址(TDMA)自适应定向天线阵空间地同步于一个按时序同步的时分多址(TDMA)定位网络来实现这个迫切需要的目标。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种定位系统和方法用于进行精确的码和载波相位测距，而不受严重多径阻碍，以便求得精确的码和载波相位的位置、速度和时间(PVT)解。
本发明还有一个目的是提供一种定位系统和方法用于提高被测定位信号的信噪比(SNR)，以便求得精确的码和载波相位的位置、速度和时间(PVT)解。
本发明还有一个目的是提供一种定位系统和方法用于在相对远距离时，或跨越射频(RF)遮挡环境时，或跨越射频(RF)干扰环境时提高被测定位信号的信噪比(SNR)，以便求得精确的码和载波相位的位置、速度和时间(PVT)解。
本发明还有一个目的是提供一种定位系统和方法用于在有噪音和多径时利用一个包含单前端接收机设计的位置接收机进行精确的码和载波相位测距。
本发明的上述目标是通过不断控制定向接收天线和若干时分多址(TDMA)定位单元装置发射保持空间同步，以便定向接收天线对朝当前发射的定位单元装置，或者对朝当前收到的定位信号的信号源来实现的。定向接收天线由一个确定性算法来控制，这个算法基于这些信息：定位单元装置的位置，定向接收天线的位置，定向接收天线的空间方位角，网络时分多址(TDMA)发射序列，定位单元装置定位信号传播延迟以及网络时间。
附图说明
图1是根据本发明的时分多址(TDMA)定位系统的图示，其中一个按时序同步的定位单元装置网络通过一个未按空间同步的TDMA自适应定向天线阵发射按时序同步的时分多址(TDMA)定位信号给一个流动位置接收机。将未按空间同步的TDMA自适应定向天线阵配置成全向增益方向图以便获取定位信号。
图2是根据本发明的时分多址(TDMA)定位系统的图示，描绘的是接图1之后的一个时期。一个位置接收机通过一个按空间同步的TDMA自适应定向天线阵接收从一个当前发射的定位单元装置发射的时分多址(TDMA)定位信号。将按空间同步的TDMA自适应定向天线阵配置为控制定向增益方向图对朝当前发射的定位单元装置以便跟踪各个定位信号。
图3是根据本发明的时分多址(TDMA)定位系统的图示，描绘的是接图2之后的一个时期。一个位置接收机通过一个按空间同步的TDMA自适应定向天线阵接收从一个当前发射的定位单元装置发射的时分多址(TDMA)定位信号。将按空间同步的TDMA自适应定向天线阵配置来控制定向增益方向图对朝当前发射的定位单元装置以便跟踪各个定位信号。
图4是一个包括若干定向增益天线的TDMA自适应定向天线阵的图示。每个定向增益天线经一个包括若干射频(RF)开关的控制器连接到位置接收机。
图5是根据本发明的时分多址(TDMA)定位系统的图示，其中一个位置接收机通过一个包括若干定向增益天线的TDMA自适应定向天线阵接收时分多址(TDMA)定位信号。
具体实施方式
综述
若干按时序同步的定位单元装置被放置在已知位置，以预定的时分多址(TDMA)序列发射定位信号，以便每个发射机有一个唯一发送时隙。位置接收机被配置来通过一个方向灵活波束天线接收来自定位单元装置网络的时分多址(TDMA)定位信号。所述方向灵活波束天线，也称TDMA自适应定向天线阵，能够产生可被不断控制以对朝若干方向的定向增益方向图。TDMA自适应定向天线阵配有一个空间方位角确定器，例如一个惯性导航系统(INS)，以给出TDMA自适应定向天线阵的方位。
位置接收机被配置来使TDMA自适应定向天线阵按空间和定位单元装置网络的时分多址(TDMA)发射序列同步，其利用(1)由定位单元装置的导航消息确定的定位单元装置的位置；(2)由定位单元装置的导航消息确定的时分多址(TDMA)发射序列；(3)由空间方位角确定器提供的TDMA自适应定向天线阵的空间方位角；(4)由位置接收机的位置速度时间(PVT)解测定的TDMA自适应定向天线阵的位置；(5)由位置接收机的位置速度时间(PVT)解测定的网络时间；以及(6)由获取的定位单元装置的位置和测定的TDMA自适应定向天线阵的位置来确定的定位信号的时分多址(TDMA)发射传播延迟。顺序地切换TDMA自适应定向天线阵的定向增益方向图以跟随定位单元装置发射的时分多址(TDMA)序列，以便定向增益方向图对朝当前发射的定位单元装置，或者对朝当前收到的定位信号的信号源。当TDMA自适应定向天线阵的位置和空间方位角由于用户移动而改变时，位置接收机调整TDMA自适应定向天线阵的定向增益方向图的方位角和仰角来跟随当前发射的定位单元装置，或者跟随当前收到的定位信号的信号源。
因此，如下面描述的，TDMA自适应定向天线阵是一个专用的接收天线，它按空间同步于一个按时序同步的时分多址(TDMA)定位单元装置网络。TDMA自适应定向天线阵通过不断控制定向接收天线使其对朝当前发射的定位单元装置，或不断控制定向接收天线使其对朝当前收到的定位信号的信号源来为位置接收机收到的定位信号抑制多径同时提高信噪比。
系统和方法
参见图1，这里图示了一个按时序同步的定位单元装置101，102，103，104的网络，所述装置发射按时序同步的时分多址(TDMA)定位信号105，106，107，108。图中还包括位置接收机109，TDMA自适应定向天线阵110，和空间方位角确定器111按时序同步的定位单元装置101，102，103，104的网络发射时分多址(TDMA)定位信号105，106，107，108，以便每个定位单元装置发射占用它自己的唯一时隙。位置接收机109被配置来通过TDMA自适应定向天线阵110接收来自定位单元装置101，102，103，104的网络的时分多址(TDMA)定位信号105，106，107，108。TDMA自适应定向天线阵110带有一个空间方位角确定器111，以便能够确定TDMA自适应定向天线阵110的方位。位置接收机109最初把TDMA自适应定向天线阵110配置成全方位增益方向图112，以便获取所有视线内的定位单元装置101，102，103，104。位置接收机109询问从每个获取的定位单元装置发射的导航数据来确定定位单元装置101，102，103，104的位置和定位单元装置时分多址(TDMA)脉冲调制的发射序列105，106，107，108。接下来位置接收机109求出位置、速度和时间(PVT)解来确定近似的接收机位置，近似的接收机速度和近似的网络时间。位置、速度和时间(PVT)解，也称“单点位置”解，是本领域众所周知的，不是本发明的主题。有了从收到的导航消息确定的定位单元装置的位置，和从位置、速度和时间(PVT)解确定的近似的接收机位置，位置接收机109计算出所有视线内的定位单元装置101，102，103，104的近似的仰角和方位角信息。位置接收机109也通过处理来自空间方位角确定器111的方位角数据113来确定TDMA自适应定向天线阵110的方位。
看过图1，再看图2，这里图示了一个按时序同步的定位单元装置201，202，203，204的网络，所述装置在后续的时分多址(TDMA)时隙内发射按时序同步的时分多址(TDMA)定位信号205，206，207，208。图中还包括位置接收机209，TDMA自适应定向天线阵210，和空间方位角确定器211。位置接收机209询问从每个获取的定位单元装置201，202，203，204发射的导航数据来确定定位单元装置201，202，203，204的位置和定位单元装置TDMA脉冲调制的发射序列205，206，207，208。位置接收机209接下来求出位置、速度和时间(PVT)解来确定接收机位置、接收机速度和网络时间以及所有视线内的定位单元装置201，202，203，204的仰角和方位角信息。位置接收机209通过对定位单元装置导航消息提供的定位单元装置时分多址(TDMA)发射序列和从位置、速度和时间(PVT)解提供的当前网络时间作比较，确定某个定位单元装置201将在下一个时分多址(TDMA)时隙内开始发射。位置接收机209通过对空间方位角确定器211提供的当前TDMA自适应定向天线阵210的空间方位角和从位置、速度和时间(PVT)解计算得来的方位角和仰角信息作比较，确定下一个定位单元装置201的定位信号205的到达方向。位置接收机209配置TDMA自适应定向天线阵210以产生定向增益方向图212，其被控制在其发射205的开始时刻对朝所述下一个将要发射的定位单元装置201的方向。位置接收机209不断控制TDMA自适应定向天线阵210的定向增益方向图212使其对朝当前收到的定位单元装置201的定位信号205的信号源，直到其时分多址(TDMA)脉冲调制的发射205停止。
看过图2，再看图3，这里图示了一个按时序同步的定位单元装置301，302，303，304的网络，所述装置在后续的时分多址(TDMA)时隙内发射按时序同步的时分多址(TDMA)定位信号305，306，307，308。图中还包括位置接收机309，TDMA自适应定向天线阵310，和空间方位角确定器311。位置接收机309询问从每个获取的定位单元装置301，302，303，304发射的导航数据来确定定位单元装置301，302，303，304的位置和定位单元装置时分多址(TDMA)脉冲调制的发射序列305，306，307，308。位置接收机309接下来求出位置、速度和时间(PVT)解来确定接收机位置、接收机速度和网络时间以及所有视线内的定位单元装置301，302，303，304的仰角和方位角信息。位置接收机309通过对定位单元装置导航消息提供的定位单元装置时分多址(TDMA)发射序列与定位单元装置位置和从位置、速度和时间(PVT)解提供的当前网络时间作比较，确定某个定位单元装置302将在所述下一个TDMA时隙内被接收。位置接收机309通过对空间方位角确定器311提供的当前TDMA自适应定向天线阵310的空间方位角和从位置、速度和时间(PVT)解计算得来的方位角和仰角信息作比较，确定下一个定位单元装置302的定位信号306的到达方向。位置接收机309配置TDMA自适应定向天线阵310以产生定向增益方向图312，其被控制在发射306的开始时刻来对朝所述下一个将要发射的定位单元装置302的方向。位置接收机309不断控制TDMA自适应定向天线阵310的定向增益方向图312使其对朝当前收到的定位单元装置302的定位信号306的信号源，直到其时分多址(TDMA)脉冲调制的发射306停止。在所有可用的时分多址(TDMA)时隙上不断重复上述过程。
当TDMA自适应定向天线阵按空间同步时，精确的位置、速度和时间现在可以由位置接收机通过求出位置、速度和时间(PVT)解来确定。偏轴多径通过定向增益天线的多径限制效应得到抑制，接收的信噪比通过定向增益天线增加正向增益得到提高。所以，配有TDMA自适应定向天线阵的时分多址(TDMA)定位网络比起没配的网络得到码和载波相位位置解更精确。
TDMA自适应定向天线阵方法
一个TDMA自适应定向天线阵可通过各种方法来创建。在第一个实施例中TDMA自适应定向天线阵包括若干空间分布的天线单元，每个天线单元包括可调的相位和振幅输出。将所有天线单元的输出组成一个单独输出，并送到位置接收机射频(RF)输入。每个天线单元的相位和振幅经控制器(如微处理器)控制，以便各种预定的相位和振幅值可以从每个天线单元同时输出。这些输出组合起来产生各种天线增益方向图从而有效地不断控制天线阵对朝若干方向。这种形式的自适应阵称作相控天线阵，也是本领域众所周知的。
在第二个实施例中，TDMA自适应定向天线阵包括一个从动天线单元，它连接到位置接收机射频(RF)输入，并被若干空间分布的寄生天线单元环绕。寄生天线单元通过被射频(RF)开关短接到地来启动，由此改变寄生阵的增益方向图。每个寄生天线单元的RF开关通过控制器(如微处理器)控制，以便可以启动寄生单元的各种组合来产生各种天线增益方向图，从而不断控制天线增益方向图对朝若干方向。这种形式的自适应阵称作开关寄生天线阵，也是本领域众所周知的。
在第三个实施例中，TDMA自适应定向天线阵包括若干定向增益天线，每个对朝一个唯一方向。将每个定向增益天线输出连接到射频(RF)开关。将所有射频(RF)开关的输出组合，并送到位置接收机射频(RF)输入。每个射频(RF)开关通过控制器如微处理器控制，以便能在不同时间启动每个天线单元或天线单元的组合来产生不同的天线增益方向图。这样可以不断控制TDMA自适应定向天线阵的方向图对朝若干方向。在首选的实施例中，对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源的天线被启动，而所有其它天线被关闭。
现在来看图4，这里图示了一个TDMA自适应定向天线阵，其包括若干定向增益天线410，空间方位角确定器411，位置接收机409，和控制器412。TDMA自适应定向天线阵410包括八个定向增益天线413，414，415，416，417，418，419，和420。每个定向增益天线413，414，415，416，417，418，419，和420有45度的视场(FOV)，总的产生360度的完整视场(FOV)。表一给出每个定向增益天线的视场(FOV)角范围，其中参考定向增益天线413的视场(FOV)中心为零度，角度值以顺时针方向增加。
  定向增益天线     视场(FOV)范围
    413     x≥337.5°或x≤22.5°
    414     22.5°≤x≤67.5°
    415     67.5°≤x≤112.5°
    416     112.5°≤x≤157.5°
    417     157.5°≤x≤202.5°
    418     202.5°≤x≤247.5°
    419     247.5°≤x≤292.5°
    420     292.5°≤x≤337.5°
表一
将每个定向增益天线413，414，415，416，417，418，419，和420的输出连接到各个射频(RF)开关421，422，423，424，425，426，427，和428，其在启动时把接收的定位信号送到位置接收机409，或在关闭时把接收的定位信号弃掷给地。还将每个射频(RF)开关421，422，423，424，425，426，427，和428连接到位置接收机控制器412，以便位置接收机409可以在需要时启动每个定向增益天线并不断控制TDMA自适应定向天线阵的增益方向图对朝需要的方向。使和TDMA自适应定向天线阵410关联的空间方位角确定器411与参考定向增益天线413对齐。空间方位角确定器411提供参考定向增益天线413相对于公共的定向指示器(如真北方)的方位。这被看作参考方位定位，并不断被空间方位角确定器411发送到位置接收机409。
现在来看图5，这里图示了一个按时序同步的定位单元装置501，502，503，和504的网络，所述装置发射按时序同步的时分多址(TDMA)定位信号505，506，507，508。图中还包括位置接收机509，包含若干定向增益天线的TDMA自适应定向天线阵510，空间方位角确定器511，和切换器512。这个示例中，按时序同步的定位单元装置501，502，503，和504的网络根据表2给出的网络时分多址(TDMA)发射方案发射定位信号505，506，507，508，不过本发明的方法同样可以用于其它的时分多址(TDMA)发射方案。
    时隙   发射的定位单元装置
    1(505)     501
    2(506)     502
    3(507)     503
    4(508)     504
表二
每个定位单元装置501，502，503，和504的已知位置和网络时分多址(TDMA)发射方案505，506，507，508首选地通过每个定位单元装置的导航消息提供，不过这个信息可以通过一些其它方式事先提供给位置接收机509。在首选的实施例中，将表示为地心地固坐标系(ECEF)或一些其它方便的坐标系的每个定位单元装置501，502，503，和504的已知位置，提供给位置接收机509。这个示例中使用的是经纬坐标系。
最初，在位置速度时间(PVT)解被位置接收机509求出前，TDMA自适应定向天线阵510的位置和网络时间是未知的。所以，TDMA自适应定向天线阵510和网络TDMA的发射方案505，506，507，508的同步是不可能的。再看图4，位置接收机409相继地启动所有RF开关421，422，423，424，425，426，427，和428，把在所有时隙期间各个定向增益天线414，415，416，417，418，419，和420的输出送往位置接收机409。这样，来自整个360度视场(FOV)的定位信号被获取。这和使用标准全向接收天线的情形很相似。再次参见图5，从使用获取到的定位信号505，506，507，和508计算的近似的位置速度时间(PVT)解，可以确定近似的TDMA自适应定向天线阵的位置及网络时间。给定每个定位单元装置501，502，503，和504的位置坐标和TDMA自适应定向天线阵510的近似位置坐标，位置接收机509可以计算出从TDMA自适应定向天线阵510的位置到每个定位单元装置的大致方位角和仰角角度。在这个示例中，定位单元装置501，502，503，和504的位置，如表3所示，和TDMA自适应定向天线阵510的位置以二维坐标系来表示，不过本发明中的方法同样可以用于三维坐标系。
  定位单元装置     位置
    501     纬度：35.04°    经度：148.97°
    502     纬度：35.00°    经度：149.10°
    503     纬度：34.93°    经度：149.00°
    504     纬度：34.99°    经度：148.94°
表三
TDMA自适应定向天线阵510的近似位置的坐标确定为35.0°N，149.0°E。位置接收机从求出的TDMA自适应定向天线阵510的位置计算每个定位单元装置501，502，503，和504的方位角，如表4第二列所示。
定位单元装置 方位角 偏置方位角   偏置方位角[0°≤x＜360°]
    501     328°     13°     13°
    502     90°     -225°     135°
    503     180°     -135°     225°
    504     258.5°     -56.5°     303.5°
表四
空间方位角确定器511测定参考定向增益天线513的参考方位定位为315度。从求得的定位单元装置方位角中减去参考方位定位，从而得到每个定位单元装置的所谓偏置方位角，如表4第3列所示。比如，第一个定位单元装置501的偏置方位角为13度。这意味着第一个定位单元装置501位于TDMA自适应定向天线阵510的参考定向增益天线513顺时针方向13度的方向。同样，第三个定位单元装置503的偏置方位角为-135度，其位于TDMA自适应定向天线阵510的参考定向增益天线513逆时针方向135度的方向。偏置方位角的值也通过如下函数映射到范围[0°≤x＜360°]内，如表4第4列所示。
Figure A0382439500171
然后，通过使用表1中给出的值作为查找表，用映射后的偏置方位角为网络时分多址(TDMA)发射方案里每个时隙选择合适的定向接收天线。视场(FOV)范围覆盖给定定位单元装置映射后的偏置方位角的所述定向增益天线在该定位单元装置时分多址(TDMA)时隙的发射期间内被启动。这个示例中，第三个定位单元装置503的映射后方位角偏移为225度，处于第六个定向增益天线518的视场(FOV)范围(202.5°≤x≤247.5°)内。这样在第三个时分多址(TDMA)时隙的定位信号507接收期间，控制器512把第六个定向增益天线518的输出送给位置接收机509。对每个定位单元装置执行这一操作得到如表5所示的切换表，其给出了用于每个时分多址(TDMA)时隙的定向增益天线。
    时隙 启动的定向增益天线
    时隙1(505)     513
    时隙2(506)     516
    时隙3(507)     518
    时隙4(508)     520
表五
每次更新位置和空间方位角时重复这个过程以确保TDMA自适应定向天线阵和网络时分多址(TDMA)发射方案正确的对齐。
时分多址(TDMA)时隙重叠
随着定位单元装置和位置接收机之间的距离增加，发射的定位信号的传播延迟相应地增加。这导致从定位单元装置发射的时分多址(TDMA)可能无法在由位置接收机分配的时分多址(TDMA)时隙内完全接收。因此，在下一个分配的时隙内位置接收机可以控制TDMA自适应定向天线阵的定向增益方向图不再对朝当前收到的位置单元装置定位信号的信号源，这样就丢失了上一个定位单元装置时分多址(TDMA)发射的末尾。在时分多址(TDMA)发射在一个相邻时隙中被完全接收到之前，最大传播延迟和用于网络时分多址(TDMA)发射方案中的发射脉冲宽度有关。在首选的实施例中，每1毫秒内发射一个50微秒的脉冲。这样在发射的定位信号和一个相邻的50微秒时隙完全重叠之前，可以提供15公里的传播距离。当所有的定位单元装置都和位置接收机很接近时，比如少于1公里，收到的定位信号会有最多几微秒的重叠。这种重叠会造成接收的信噪比很小的降低，因为与TDMA自适应定向天线阵的错开很小。当所有定位单元装置和TDMA自适应定向天线阵等距时，收到的定位单元装置定位信号不会和相邻的时分多址(TDMA)发射重叠。不过，如果所有定位单元装置和位置接收机都相距为15公里，并且位置接收机忽略了来自每个定位单元装置的大约50微秒传播延迟，TDMA自适应定向天线阵将在接收的定位信号之前一个时分多址(TDMA)时隙切换，并且接下来的位置速度时间(PVT)解无法求出。另外，当定位单元装置和TDMA自适应定向天线阵的距离差异很大时，收到的定位信号可能和相邻的时分多址(TDMA)发射严重重叠。这些重叠如果忽略，可能对TDMA自适应定向天线阵的同步产生相当的破坏。
所以，位置接收机在计算何时适合控制TDMA自适应定向天线阵对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源时，必须把每个定位单元装置的信号传播延迟加以考虑。随着位置接收机位置不断改变，一个确定性算法考虑来自每个定位单元装置的传播延迟，并调整TDMA自适应定向天线阵同步来最好的匹配定位单元装置时分多址(TDMA)发射的接收时间。这需要依据位置接收机的位置来动态调整TDMA自适应定向天线阵的时分多址(TDMA)时隙位置和持续期间。
无空间方位角的空间同步
在本发明的另一个实施例中，TDMA自适应定向天线阵可以在无需空间方位角确定器的情况下按空间和时分多址(TDMA)定位网络同步。当：(1)TDMA自适应定向天线阵以固定的空间方位角静止摆放；或(2)TDMA自适应定向天线阵安装在一个用户平台上以固定的方位角移动时，可以不需要空间方位角确定器。举例来说，当把TDMA自适应定向天线阵装在一个静止的被配置成从附近其它定位单元装置接收定位信号的定位单元装置上时，可以以固定的空间方位角来静止摆放。再比如说，当把TDMA自适应定向天线阵装在一个形变监视位置接收机时，可以以固定的空间方位角来静止摆放。形变监视位置接收机根据像温度和负载这种变量，测量建筑如桥梁和建筑物的微小移动。
另外，当TDMA自适应定向天线阵安装在一个用户平台上以固定的空间方位角移动时不需要空间方位角确定器。比如，起重机在固定的X，Y，Z平面上移动，但不作倾斜、旋转、或偏转时，不需要配置了空间方位角确定器的TDMA自适应定向天线阵。因此，利用(1)由定位单元装置导航消息确定的定位单元装置位置；(2)由定位单元装置导航消息确定的时分多址(TDMA)发射序列；(3)由位置接收机的位置速度时间(PVT)解确定的TDMA自适应定向天线阵的位置；(4)由位置接收机的位置速度时间(PVT)解确定的网络时间；以及(5)由获取的定位单元装置的位置和确定的TDMA自适应定向天线阵的位置来确定的定位信号的时分多址(TDMA)发射传播延迟，位置接收机可以被配置来让一个固定空间方位角的TDMA自适应定向天线阵按空间同步于定位单元装置网络的时分多址(TDMA)发射序列。依次切换TDMA自适应定向天线阵的定向增益方向图，以跟随定位单元装置发射的时分多址(TDMA)序列，以便定向增益方向图对朝当前发射的定位单元装置，或对朝当前收到的定位信号的信号源。随着用户平台移动TDMA自适应定向天线阵的位置跟着改变，位置接收机调节TDMA自适应定向天线阵定向增益方向图的方位角和仰角来跟踪当前发射的定位单元装置，或跟踪当前收到的定位信号的信号源。
自适应波束宽度
在本发明的另一个实施例中，TDMA自适应定向天线阵定向增益方向图的波束宽度可依据位置接收机的状态来动态调节。当位置接收机确定的位置和网络时间越精确时，每个定位单元装置的方位角和仰角也越精确。因此阵列的波束宽度可以被减小来进一步抑制多径并进一步提高接收的信噪比。在装有相控天线阵的实施例中，通过增加阵列中空间分布的天线单元数量并设置它们的相位和增益输出来加宽或减短合成波束方向图，TDMA自适应定向天线阵的波束宽度可以动态调整。在装有开关寄生天线单元的实施例中，通过增加阵列中寄生天线单元的数量并以预定组合开关这些寄生天线单元来加宽或减短合成波束方向图，TDMA自适应定向天线阵的波束宽度可以动态调整。在装有若干定向增益天线的实施例中，通过启动若干相邻的定向增益天线来加宽定向增益方向图或通过关闭相邻的定向增益天线来减短合成波束方向图，TDMA自适应定向天线阵的波束宽度可以动态调整。
空间方位角确定器
一个位置接收机通过配给TDMA自适应定向天线阵的空间方位角确定器，可以确定TDMA自适应定向天线阵的二维或三维的空间方位角。空间方位角确定器可以包含一个惯性导航系统(INS)，指南针，星座跟踪器，水平传感器或其它空间方位角确定传感器。任何给TDMA自适应定向天线阵提供空间方位角和定位信息的空间方位角确定方法可以用来满足本发明的要求。本发明描述的一个惯性导航系统(INS)可以包括诸如电子指南针、加速计、速率陀螺仪这类装置。惯性导航系统(INS)和空间方位角确定系统是本领域众所周知的，不是本发明的主题。
唯一的定位信号
在首选的实施例中每个定位单元装置发射一个唯一定位信号，它包括一个载波分量，一个伪随机码分量，和一个导航数据分量。载波分量是首选在2.4G ISM波段发射的正弦射频波，不过本发明的方法同样可用于其它频段。伪随机码(PRN)分量被调制在载波分量上，由可以从由其它装置以相同载波频率发射的其它伪随机码序列之中被辨别出来的唯一码序列组成。这项技术被称作码分多址(CDMA)，是本领域众所周知的。导航数据分量也称导航消息，是调制在伪随机码分量上的专有信息，并提供一个通信链接来传递导航信息给定位单元装置和流动位置接收机。导航信息可以包括网络时间，定位单元装置位置，TDMA发射序列，和其它需要的网络数据。每个唯一定位信号以预定的时分多址(TDMA)发射方案被伪随机地脉冲调制，这样每个定位单元装置在唯一时隙内发射唯一的定位信号。
时分多址(TDMA)发射
在首选的实施例中每个定位单元装置以伪随机的时分多址(TDMA)序列脉冲调制其发射。每1毫秒内一个50微秒的脉冲被伪随机的发射，伪随机序列每200毫秒重复一次。这样产生5％的占空比并提供20个可用的时分多址(TDMA)时隙。每个定位单元装置的伪随机时分多址(TDMA)脉冲发射序列在它自己的导航消息中被发射。一个位置接收机通过询问每个定位单元装置的导航消息来确定每个定位单元装置的伪随机时分多址(TDMA)脉冲发射序列。在一个替代实施例中，伪随机时分多址(TDMA)脉冲发射序列可以和定位单元装置的伪随机码(PRN)关联。在该实施例中，位置接收机可以通过把预定的时分多址(TDMA)脉冲发射序列和接收的伪随机码(PRN)关联来确定时分多址(TDMA)脉冲发射序列。一个定位单元装置也可以通过它的导航消息提供它附近所有定位单元装置的时分多址(TDMA)脉冲发射序列、伪随机码(PRN)和位置坐标，这样位置接收机可以快速获取并同步到周围的定位单元装置。
当然，应当意识到，虽然通过本发明的示例给出了上述内容，但对于本技术领域的技术人员显而易见的所有这些和其它的修改和变更，被认为落入在此陈述的本发明的大范围内。

Claims (12)

1.一种用于时分多址位置网络抑制多径和提高接收信噪比的方法，所述方法包括：
a)部署若干按时序同步的定位单元装置，放置在已知位置，按照一组预定的时分多址序列发射定位信号，以便每个所述定位单元装置在一个唯一的发送时隙内发射一个唯一定位信号；
b)部署一个配备一个方向灵活波束天线的位置接收机；
c)接收并解译所述唯一定位信号来测定方向灵活波束天线的状态；
d)连续控制所述方向灵活波束天线，根据所述已测定的方向灵敏波束天线的状态，与所述TDMA定位单元装置定位信号发射保持空间同步；
这样方向灵活波束天线的定向增益图保持对朝当前发射的定位单元装置，或者对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源。
2.根据权利要求1的方法，其中所述方向灵活波束天线的状态可以包括测定如下一组输入变量中选出的一个或多个：定位单元装置的位置、定位单元装置时分多址发射序列、方向灵活波束天线的位置、定位单元装置定位信号的传播延迟、和网络时间。
3.根据权利要求1的方法，其中所述为了容许定位单元装置定位信号的传播延迟，所述空间同步可以从网络时间上弥补。
4.一种用于时分多址位置网络抑制多径和提高接收信噪比的方法，所述方法包括：
a)部署若干按时序同步的定位单元装置，放置于已知的位置，按照预定的时分多址序列发射定位信号，以便每个所述定位单元装置在一个唯一发送时隙内发射一个唯一定位信号；
b)部署一个配备一个方向灵活波束天线、和一个产生所述方向灵活波束天线的空间方位角数据的空间方位角确定器的位置接收机；
c)接收并解译所述唯一定位信号和所述空间方位角数据来测定方向灵活波束天线的状态；
d)连续控制所述方向灵活波束天线，根据所述已测定的方向灵敏波束天线的状态，与所述TDMA定位单元装置定位信号发射保持空间同步；
这样方向灵活波束天线的定向增益图保持对朝当前发射的定位单元装置，或者对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源。
5.根据权利要求4的方法，其中所述方向灵活波束天线的状态可以包括测定如下一组输入变量中选出的一个或多个：定位单元装置的位置、定位单元装置时分多址发射序列、方向灵活波束天线的位置、方向灵活波束天线的空间方位角、定位单元装置定位信号的传播延迟、和网络时间。
6.根据权利要求4的方法，其中所述为了容许定位单元装置定位信号的传播延迟，所述空间同步可以从网络时间上弥补。
7.一种用于时分多址位置网络抑制多径和提高接收信噪比的系统，所述系统包括：
a)若干按时序同步的定位单元装置，放置于已知的位置，按照预定的时分多址序列发射定位信号，以便每个所述定位单元装置在一个唯一发送时隙内发射一个唯一定位信号；
b)一个配备一个方向灵活波束天线的位置接收机，被设置来连续控制定向增益图来对朝若干方向；
c)所述位置接收机接收并解译所述唯一定位信号来测定方向灵敏波束天线的状态；
d)所述方向灵活波束天线被设置来连续地控制所述定向增益图，根据所述已测定的方向灵活波束天线的状态，与所述TDMA定位单元装置定位信号发射保持空间同步；
以便方向灵活波束天线的定向增益图保持对朝当前发射的定位单元装置，或对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源。
8.根据权利要求7的系统，其中所述方向灵活波束天线的状态可以包括测定如下一组输入变量中选出的一个或多个：定位单元装置的位置、定位单元装置时分多址发射序列、方向灵活波束天线的位置、定位单元装置定位信号的传播延迟、和网络时间。
9.根据权利要求7的系统，其中所述为了容许定位单元装置定位信号传播延时，所述空间同步可以从网络时间上弥补。
10.一种用于时分多址位置网络抑制多径和提高接收信噪比的系统，所述系统包括：
a)若干按时序同步的定位单元装置，放置于已知的位置，按照预定的时分多址序列发射定位信号，以便每个所述定位单元装置在一个唯一发送时隙内发射一个唯一定位信号；
b)一个配备一个方向灵活波束天线的位置接收机，被设置来连续地控制定向增益图来对朝若干方向；
c)一个空间方位角确定器被设置来提供所述方向灵活波束天线的空间方位角数据；
d)位置接收机接收并解译所述唯一定位信号和所述空间方位角数据来测定方向灵敏波束天线的状态；
e)所述方向灵活波束天线被设置来连续地控制所述定向增益图，根据所述已测定的方向灵活波束天线的状态，与所述TDMA定位单元装置定位信号发射保持空间同步；
这样方向灵活波束天线的定向增益图保持对朝当前发射的定位单元装置，或对朝当前收到的定位单元装置定位信号的信号源。
11.根据权利要求10的系统，其中所述方向灵活波束天线的状态可以包括测定如下一组输入变量中选出的一个或多个：定位单元装置的位置、定位单元装置时分多址发射序列、方向灵活波束天线的位置、方向灵活波束天线的空间方位角、定位单元装置定位信号的传播延迟、和网络时间。
12.根据权利要求10的系统，其中所述为了容许定位单元装置定位信号传播延迟，所述空间同步可以从网络时间上弥补。
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