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利用衛星系統的因特網熱點定位.pdf

摘要
申請專利號:

CN200980119708.6

申請日:

2009.05.11

公開號:

CN102047136B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 1/00申請日:20090511|||公開
IPC分類號: H04B7/00; G01S1/00; G01S5/14 主分類號: H04B7/00
申請人: 波音公司
發明人: D·A·惠蘭; G·M·古特; B·G·費雷爾; R·W·布倫利
地址: 美國伊利諾伊州
優先權: 2008.05.30 US 12/130,880
專利代理機構: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245 代理人: 趙蓉民
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法律狀態
申請(專利)號:

CN200980119708.6

授權公告號:

102047136B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2011.07.20|||2011.05.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

根據各實施方式的系統和方法通過集成衛星信號和因特網熱點信號在衰減環境中提供導航。在一種實施方式中,適于執行地理定位的接收器單元包括適于從衛星接收精確時間信號和從無線網絡站接收額外輔助信息的天線,其中精確時間信號包括周期性重復代碼。接收器單元還包括處理器和適于存儲多個計算機可讀指令的存儲器,所述指令由處理器執行時適于使接收器單元:使用精確時間信號和輔助信息確定精確絕對時間,確定與接收器單元關聯的定位信息,使用定位信息請求無線網絡站的位置信息,以及使用定位信息和位置信息確定接收器單元的絕對地理位置。

權利要求書

1: 一種適于執行地理定位的接收器單元, 包括 : 天線, 其適于從衛星接收精確時間信號以及從至少一個無線網絡站接收額外輔助信 息, 其中所述精確時間信號包括周期性重復代碼 ; 處理器 ; 以及 存儲器, 其適于存儲多個計算機可讀指令, 當所述指令被所述處理器執行時適于使所 述接收器單元執行以下操作 : 使用所述精確時間信號和所述輔助信息確定精確絕對時間, 確定與所述接收器單元關聯的定位信息, 使用所述定位信息請求所述至少一個無線網絡站的位置信息, 以及 使用所述定位信息和所述位置信息確定所述接收器單元的絕對地理位置。
2: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述無線網絡站是 WiFi 網絡、 蜂窩網絡或 因特網的一部分。
3: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述衛星是低地軌道衛星, 即 LEO 衛星。
4: 根據權利要求 3 所述的接收器單元, 其中所述衛星是銥星衛星或 Globalstar 衛星。
5: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述輔助信息包括與所述衛星關聯的軌道 信息、 所述接收器單元的近似位置或近似時間信息。
6: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述衛星是第一衛星, 其中所述接收器單 元適于在衰減或堵塞環境中使用來自第二衛星的定位信號執行地理定位。
7: 根據權利要求 6 所述的接收器單元, 其中所述第二衛星是全球定位系統衛星, 即 GPS 衛星。
8: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述代碼在粗計時代碼和偽隨機碼之間交 替。
9: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述接收器單元是蜂窩電話、 iGPS 接收器、 手持導航裝置、 基于車輛的導航裝置或基于飛行器的導航裝置。
10: 根據權利要求 1 所述的接收器單元, 其中所述處理器還適于使所述接收器單元執 行以下操作 : 從所述衛星接收所述精確時間信號 ; 以及 從所述至少一個無線網絡站接收所述輔助信息。
11: 根據權利要求 10 所述的接收器單元, 其中所述處理器適于確定與所述接收器單元 關聯的定位信息, 包括所述處理器適于執行以下操作 : 使用所述精確絕對時間校準所述接收器單元的系統相關器以確定與所述接收器單元 關聯的定位信息 ; 隨時間推移測量多個衛星的測距代碼 ; 組合所述測距代碼和所述輔助信息 ; 以及 計算定位信息。
12: 根據權利要求 11 所述的接收器單元, 其中所述處理器適于使用所述定位信息請求 所述至少一個無線網絡站的位置信息, 包括所述處理器適于執行以下操作 : 使用所述定位信息搜索所述至少一個無線網絡站的位置信息 ; 以及 接收在無線網絡站測距代碼上傳送的位置信息。 2
13: 一種執行地理定位的方法, 所述方法包括 : 從衛星接收精確計時信號 ; 從至少一個無線網絡站接收輔助信息 ; 使用所述精確計時信號和所述輔助信息確定精確絕對時間, 使用所述精確絕對時間校準接收器單元的系統相關器以確定與所述接收器單元關聯 的定位信息 ; 使用所述定位信息請求所述無線網絡站的位置信息 ; 從所述無線網絡站接收所述位置信息 ; 以及 使用所述定位信息和所述位置信息執行絕對地理定位。
14: 根據權利要求 13 所述的方法, 還包括報告所述定位信息到所述無線網絡站。
15: 根據權利要求 13 所述的方法, 其中所述衛星是低地軌道衛星, 即 LEO 衛星。
16: 根據權利要求 15 所述的方法, 其中所述衛星是銥星衛星或 Globalstar 衛星。
17: 根據權利要求 13 所述的方法, 其中所述校準是響應于從全球定位系統衛星即 GPS 衛星接收信號而執行。
18: 根據權利要求 13 所述的方法, 其中所述輔助信息包括與所述衛星關聯的軌道信 息、 所述接收器單元的近似位置或近似時間信息。
19: 根據權利要求 13 所述的方法, 其中所述無線網絡站是 WiFi 網絡、 蜂窩網絡或因特 網的一部分。
20: 根據權利要求 13 所述的方法, 其中所述接收器單元包括蜂窩電話、 iGPS 接收器、 手 持導航裝置、 基于車輛的導航裝置或基于飛行器的導航裝置。
21: 根據權利要求 13 所述的方法, 還包括隨時間推移測量多個衛星的測距代碼 ; 組合所述測距代碼和所述輔助信息 ; 以及 計算定位信息。
22: 根據權利要求 21 所述的方法, 其中請求所述無線網絡站的位置信息包括使用所述 定位信息搜索所述無線網絡站的位置信息。
23: 根據權利要求 22 所述的方法, 其中從無線網絡站接收所述位置信息包括接收在無 線網絡站測距代碼上傳送的所述位置信息。

說明書


利用衛星系統的因特網熱點定位

    【技術領域】
     本發明一般涉及導航, 更具體地涉及基于衛星的導航技術。背景技術 各種現有衛星導航系統提供的現有導航和計時信號通常不能提供滿意的系統性 能。 尤其是, 這種導航和計時信號的信號功率、 帶寬以及幾何覆蓋總體上不能夠充分滿足很 多要求的使用情景的需要。
     現有的基于例如全球定位系統 (GPS) 信號的導航和計時方案在很多情況下對于 導航用戶可能不可用。通常, GPS 接收器必須接收至少 4 個同時存在的測距源以允許三維 定位和準確的時間傳遞。然而, GPS 信號提供的低信號功率或幾何區域通常不足以容易地 穿透城市峽谷或建筑物墻壁。 基于例如蜂窩電話或電視信號的其他導航方案通常缺少垂直 導航信息。
     現有的系統嘗試通過使用各種方案例如慣性導航系統、 專用信標以及高靈敏性 GPS 系統解決室內導航缺陷。然而, 慣性導航系統漂移且昂貴。信標要求專用的固定資源, 其昂貴而且不標準, 因此只有專門用途, 而靈敏的 GPS 系統通常由于 GPS 信號在室內環境中 較弱而不能達到用戶期望。發明內容
     在一種實施方式中, 適于執行地理定位的接收器單元包括 : 適于從衛星接收精確 時間信號以及從至少一個無線網絡站接收額外輔助信息的天線, 其中所述精確時間信號包 括周期性重復代碼 ; 處理器 ; 以及適于存儲多個計算機可讀指令的存儲器, 當所述處理器 執行所述指令時其適于使所述接收器單元 : 使用所述精確時間信號和輔助信息確定精確絕 對時間, 確定與所述接收器單元關聯的定位信息, 使用所述定位信息請求無線網絡站的位 置信息, 以及使用所述定位信息和所述位置信息確定所述接收器單元的絕對地理位置。
     在另一實施方式中, 執行地理定位的方法包括 : 從衛星接收精確計時信號 ; 從至 少一個無線網絡站接收輔助信息 ; 使用所述精確計時信號和輔助信息確定精確絕對時間, 使用所述精確絕對時間校準接收器單元的系統相關器以確定與所述接收器單元關聯的定 位信息 ; 使用所述定位信息, 請求所述無線網絡站的位置信息 ; 從所述無線網絡站接收位 置信息 ; 和使用定位信息和位置信息執行絕對地理定位。
     在另一實施方式中, 執行地理定位的方法包括 : 從衛星接收精確計時信號 ; 從至 少一個無線網絡站接收輔助信息 ; 使用所述精確計時信號和輔助信息確定精確絕對時間, 使用所述精確絕對時間校準接收器單元的系統相關器以確定與所述接收器單元關聯的定 位信息 ; 隨時間推移測量多個衛星的測距代碼 ; 組合測距代碼和輔助信息 ; 計算定位信息 ; 使用所述定位信息搜索無線網絡站的位置信息 ; 接收在無線網絡站測距代碼上傳送的位置 信息 ; 以及組合定位信息和無線網絡站測距代碼以執行絕對地理定位。
     在另一實施方式中, 一種適于執行地理定位的接收器單元包括 : 適于從衛星接收精確時間信號以及從至少一個無線網絡站接收額外輔助信息的天線, 其中所述精確時間信 號包括周期性重復代碼 ; 處理器 ; 以及適于存儲多個計算機可讀指令的存儲器, 其中當處 理器執行所述指令時其適于使得所述接收器單元 : 從衛星接收精確時間信號 ; 從至少一個 無線網絡站接收輔助信息 ; 使用精確時間信號代碼和輔助信息確定精確絕對時間 ; 使用精 確絕對時間校準接收器單元的系統相關器以確定與接收器單元關聯的定位信息 ; 隨時間推 移測量多個衛星的測距代碼 ; 組合測距代碼和輔助信息 ; 計算定位信息 ; 使用定位信息搜 索 (survey) 至少一個無線網絡站的位置信息 ; 接收在無線網絡站測距代碼上傳送的位置 信息 ; 以及組合定位信息和無線網絡站測距代碼以執行絕對地理定位。
     本發明的范圍由權利要求限定, 其通過引用并入此部分。通過考慮下文中一個或 更多個實施方式的詳細描述, 本領域技術人員將獲得對本發明實施方式的更完整的理解以 及其額外優點的實現。請參照首先被簡要描述的附圖。 附圖說明 圖 1 提供根據本發明的一種實施方式能夠在遮擋或堵塞環境中執行任務的導航 系統的概況 ;
     圖 1A 示出根據本發明的一種實施方式的接收器單元 302 的功能框圖 ;
     圖 2 提供圖示根據本發明的一種實施方式從衛星獲得精確絕對時間傳遞的方法 的流程圖 ;
     圖 3 例示根據本發明的一種實施方式的低地軌道 (LEO) 衛星的時間傳遞結構信 號;
     圖 3A 示出根據一種實施方式用于確定接收的衛星信號的代碼相位的方法的流程 圖;
     圖 3B 提供圖示根據本發明的一種實施方式在衰減或堵塞環境中執行時間傳遞和 導航的方法的流程圖 ;
     圖 4 圖示根據本發明的一種實施方式的使用衛星提供無線網絡站定位的自成型 導航系統 ;
     圖 5 提供圖示根據本發明的一種實施方式通過集成衛星信號和無線網絡信號執 行地理定位的方法的流程圖 ; 以及
     圖 6 提供圖示根據本發明的另一實施方式通過集成衛星信號和無線網絡信號執 行地理定位的方法的流程圖。
     本發明的實施方式和優點將通過參照以下詳細描述最好地理解。 應理解類似的附 圖標記用于標識一個或更多個附圖中圖示的類似元件。
     具體實施方式
     根據本文討論的各實施例, 采用衛星 ( 例如, 低地軌道 (LEO) 衛星 ) 的系統可以用 于增強接收器單元, 例如蜂窩電話或其他緊湊裝置, 從而這些接收器單元可以甚至在嚴重 衰減、 遮擋或堵塞環境中起作用。根據本文的一個或更多個實施例的導航系統可以解決接 收器單元由于從現有源 ( 諸如全球定位系統 (GPS) 衛星 ) 接收根本弱的信號導致的現有的 問題。來自特定衛星 ( 例如通信衛星 ) 的信號通常比來自其他現有定位系統 ( 諸如 GPS) 的信號更強。一個這種衛星是低地軌道 (LEO) 衛星銥星星座。在一示例中, 配置為使用從 例如銥星等 LEO 衛星接收的信號工作的接收器單元可以使用在接收器單元的天線處小于 約 45dB 的衰減的信號電平工作, 而 GPS 配置的接收器單元通常不以這種電平工作。通過調 整銥星衛星信號, 銥星配置的接收器單元可以在約 15-20db 運行, 低于通常的 GPS 配置的接 收器單元將停止工作的電平。
     根據各實施方式, 包含來自衛星系統的精確時間信號的這種強大信號可以用于確 定準確度達到例如近似 1-10 微秒的精確絕對時間。另外, 這種強大信號可以與來自諸如蜂 窩網絡、 因特網或 WiFi 等其他地基基本設施的信息一起被傳遞到接收器單元。根據一個或 更多實施方式, 從衛星信號獲得的精確絕對時間是充分準確的, 有助于校準接收器單元中 的系統相關器以集中在非常窄的時間段內。 當在遮擋或堵塞環境中使用多個系統相關器而 無精確時間參考的優勢時, 由于在大的時間段上進行的搜索, 相關處理在計算上負擔重, 并 且接收器單元可能無法在這種條件下執行任務。然而, 通過精確絕對時間 ( 例如具有近似 10 微秒內的準確度 ) 的傳遞, 接收器單元 ( 或用戶 ) 可以通過校準接收器單元的系統相關 器更好地接收和追蹤來自諸如 GPS 等定位系統的導航信號, 甚至在高度衰減或堵塞的環境 中。因此, 本發明的實施方式可以在嚴重衰減或堵塞的環境中輔助 GPS 或任何其他定位衛 星系統。應當理解精確絕對時間傳遞還可以用于諸如網絡同步等其他應用。 下面參照附圖, 其中附圖僅僅用于圖解說明本發明的實施方式, 不是為了對其進 行限制。圖 1 提供根據本發明的實施方式的導航系統 100 的概況, 此系統能夠在遮擋或堵 塞環境中執行任務。
     如圖 1 的實施方式所示, 在導航系統 300 中, 接收器單元 302( 例如蜂窩電話 ) 配 置為從衛星 306 接收信號 309, 信號 309 可以包括來自傳統導航衛星的全球定位系統 (GPS) 信號 ( 例如受保護 / 不受保護的 GPS 信號 )。另外, 接收器單元 302 配置為從衛星 304 接收 信號 305, 衛星 304 可以是低地軌道 (LEO) 衛星。此外, 接收器單元 302 配置為從網絡 308 接收信號 307, 網絡 308 可以包括例如蜂窩網絡、 因特網、 WiFi 網絡和 / 或其他網絡。從衛 星 304 接收的信號 305 包括在衛星 304 上編碼的精確時間信號。通過網絡 308 接收的信號 307 可以包括額外輔助信息, 例如與衛星 304 關聯的軌道信息、 接收器單元 302 的近似位置、 衛星 304 和接收器單元 302 之間的近似距離 ( 例如在約 3000m 內 ), 近似時間信息 ( 例如約 5 秒內的近似時間 )、 與衛星 304 關聯的計時偏置信息 ( 例如衛星時鐘偏移量 ) 和 / 或其他 信息。
     根據一個或更多個實施方式, 衛星 306 可以是集成的高性能導航和通信系統 ( 諸 如 iGPS 系統 ) 的一部分。衛星 306 還可以是包括例如全球軌道導航系統 (Glonass) 的任 何其他定位系統衛星的一部分。
     在一個示例中, 衛星 304 可以是 LEO 衛星, 其可以通過現有通信系統 ( 例如銥星 或 Globalstar 衛星系統 ) 的衛星來實現。在一個示例中, 銥星衛星用于實現衛星 304, 銥 星衛星的飛行計算機可以使用合適的軟件重編程以有助于處理導航信號。在另一示例中, Globalstar 通信衛星用于實現衛星 304, 衛星彎管結構允許地面設備被升級以支持各種新 的信號格式。
     在將衛星 304 實現為 LEO 通信衛星的實施方式中, LEO 通信衛星可以被配置以支
     持通信信號以及導航信號。 在這一點上, 這種導航信號的實現可以考慮各種因素, 諸如多路 徑抑制、 測距準確度、 交叉相關、 對堵塞和干擾的抗性以及包括選擇性訪問、 防欺騙以及低 攔截概率的安全性。
     接收器單元 302 可以使用適當的硬件和 / 或軟件實現為接收和解碼來自各種空間 和陸地測距源的信號以執行導航。這種信號可以包括例如來自 GPS( 或任何其他定位系統 ( 例如 Glonass)、 LEO( 例如銥星或 Globalstar 衛星系統 )、 廣域增強系統 (WAAS)、 歐洲靜地 星導航重疊服務 (EGNOS)、 多功能衛星增強系統 (MSAS)、 Galileo、 準天頂衛星系統 (QZSS) 和 / 或移動衛星冒險 (MSV) 衛星 ) 的衛星廣播。這種信號還可以包括來自網絡 308 的陸地 廣播, 網絡 308 可以包括蜂窩網絡、 TV( 電視 ) 網絡、 因特網、 WiFi、 WiMAX、 國家車輛基礎設 施集成 (VII) 節點以及其他合適的源。接收器單元 302 可以根據 2005 年 11 月 7 日提交的 美國專利申請 11/268,317 中闡述的各實施例實現, 該專利申請通過引用并入本文。
     接收器單元 302 可以進一步配置為使用其他空間和陸地測距源廣播的信號接收 和執行導航, 如在特定實施方式中所期望的。另外, 接收器單元 302 可以配置具有慣性測量 單元 (IMU), 其實現為例如微電子機械系統 (MEMS) 裝置以提供堵塞保護。
     接收器單元 302 還可以在可能適于特定應用的任意期望的配置中實現。例如, 在 各實施方式中, 接收器單元 302 可以實現為蜂窩電話、 iGPS 接收器、 手持導航裝置、 基于車 載的導航裝置、 基于飛行器的導航裝置或其他類型的裝置。在一個實施例中, 接收器單元 302 的位置可以對應于用戶的位置。 參照圖 1A, 其示出根據本發明實施例的接收器單元 302 的功能框圖。接收器單元 302 包括適于從一個或更多個衛星接收衛星信號 3010 的多頻率天線 3020。 例如, 天線 3020 還適于從圖 1 的網絡 208 接收信號。天線 3020 耦連到一個或更多個預選濾波器 3030、 放大 器 3040 以及 A/D 轉換器 3050。合成器 3070 從溫控晶體振蕩器 (TCXO)3080 接收信號, 并 且耦連到 A/D 轉換器 3050、 慣性裝置 3085 和計算機 3060, 計算機 3060 包括存儲器和處理 器 ( 未示出 )。系統相關器可以用處理器實現。計算機 3060 從慣性裝置 3085 接收原始測 量值以及來自合成器 3070 和 A/D 轉換器 3050 的輸入以產生位置、 海拔和時間的輸出 3090。 A/D 轉換器 3050 的采樣率可以被適當確定使得接收器單元 302 可以將關心的全部頻帶下轉 換到基帶。
     在運行中, 根據一個或更多個實施方式, 在接收器單元 302 被遮擋或堵塞以及不 能從衛星 306 接收信號 309( 例如 GPS 信號 ) 的位置, 接收器單元 302 可以向網絡 308 發送 消息請求援助。之后, 網絡 308 確定額外的輔助信息。接著, 接收器單元 302 使用信號 307 結合從衛星 304 接收的信號 305, 校準其系統相關器以改善從衛星 306 接收信號 309( 例如 GPS 信號 ), 并因此即使在遮擋或堵塞環境中也能夠進行導航, 信號 307 包括通過網絡 308 獲得的額外輔助信息, 信號 305 包括精確時間信號。
     參照圖 2, 其提供圖解說明根據本發明的實施方式從衛星獲得精確絕對時間傳遞 的方法的流程圖。在一實施方式中, 圖 2 可以實現為與圖 1 的導航系統 300 一起使用, 但是 它還可以實現為與其他系統或應用 ( 諸如網絡同步 ) 一起使用。當與包括額外輔助信息的 信號 307 組合時, 從衛星 304 接收的信號 305( 如圖 1 所示 ) 允許定位。額外輔助信息可以 通過網絡 308 投遞給接收器單元 302。
     在塊 350, 接收器單元 302 從衛星 304 接收包括精確時間信號的信號 305。精確時
     間信號作為周期性重復的良好定義的代碼從衛星 304 被接收。應當理解良好定義的代碼可 以包括任意數量的代碼, 例如偽隨機碼。在一示例中, 銥星衛星可以廣播偽隨機碼, 大約每 23 秒重復一次。 其他實現可以包括交替代碼結構。 例如, 在一個這樣的實現中, 粗計時碼可 以后跟隨偽隨機碼。 在此實現中, 粗計時碼可以包括純載波頻率的重復部分, 其可以被接收 器單元 302 容易地檢測到以用于各種操作, 諸如確定多普勒漂移。此實現中的偽隨機碼可 以用于確定絕對時間至高準確度, 但是對于接收器單元 302 來說, 偽隨機碼可能比檢測粗 計時碼更難檢測到。為此, 接收器單元 302 可以使用粗計時碼有效地確定期望接收偽隨機 碼的近似時間。
     在各實施例中, 不要求從衛星 304 接收的信號 305 包括詳細的導航信息, 并且只有 來自衛星 304 的單個衛星的信號 305 的一個廣播可用于啟動輔助技術。此外, 信號 305 的 計時準確度可能由于典型的 GPS 衛星行為而嚴重退化, 但是 10 微秒數量級的準確度是足夠 的。在一個示例中, 接收器單元 302 可以在衰減或遮擋環境中 ( 例如室內 ) 運行, 其中接收 器單元 302 能夠從衛星 304 接收信號 305, 但是由于信號 309 的低功率和環境的衰減而無 法從衛星 306 接收信號 309。對于銥星衛星, 例如, 可重復的偽隨機碼的結構允許接收器單 元 302 甚至在天線處達到約 45dB 衰減的嚴重衰減環境中 ( 即超過大多數 GPS 接收器不能 接收信號時的電平約 15dB) 鎖定到偽隨機碼。接收器單元 302 還可以例如在信號 309 被商 業情形中的競爭信號潛在地堵塞的環境中, 或者在信號 309 被軍事情形中的敵人有意堵塞 的環境中運行。 在塊 352, 來自衛星 304 的信號 305 的代碼的相對時序相位 ( 下文還稱為 “n” 或 “代碼相位” ) 被接收器單元 302 使用低數據率相關確定。例如, 接收器單元 302 可用于鎖 定到信號 305 提供的高功率非 GPS 精確時間信號的代碼以及確定時序相位到小于約 3 微秒 之內。
     在塊 354, 接收器單元 302 通過網絡 308 接收包括額外輔助信息的信號 307。可替 代地, 在例如接收器單元 302 移入或移出衰減環境的情況下可以從衛星 304 接收額外輔助 信息。總體而言, 額外輔助信息的更新速率很低, 原則上可以存儲 24 小時或更久。在一個 實施方式中, 額外輔助信息可以包括代碼廣播的開始時間、 計時傳輸的期待頻率、 非 GPS 衛 星軌道的模型以及時間偏置校正信息, 所述時間偏置校正信息可以改善從衛星 304 接收的 精確時間信號的保真度, 如塊 350 所述。另外, 近似時間 ( 例如在數秒的準確度內 ) 可以通 過網絡 308 提供或由接收器單元 302 的本地時鐘提供。
     在塊 356, 通過將代碼的時序相位與根據例如等式 406( 以下將參照圖 3 描述 ) 通 過網絡 308 接收的額外輔助信息相組合的方式, 代碼的時序相位被轉換為精確絕對時間。
     下面參照圖 3, 其根據本發明的實施方式圖解說明低地軌道 (LEO) 衛星的時間傳 遞結構信號。根據一個實施例, 圖 3 的時間傳遞結構可以實現為用于圖 1 所示的導航系統 300, 但是它還可以用于其他系統或應用, 諸如網絡同步。在此實施例中, 衛星 304 實現為銥 星衛星。應理解盡管圖解說明銥星衛星的時間傳遞信號, 但是此處的描述可以針對其他衛 星系統適當地修改。在圖 3 的示例中, 信號 305 可以包括被每個衛星 304 重復廣播的 10K 緩沖周期 402。每 10K 緩沖周期可以等于 9984 個字節, 或 72872 個位 / 比特, 或 256 個消 息, 或 46.08 秒。每天有 1875 個緩沖周期。還圖示了消息幀 404( 也稱為消息 ), 其可以等 于 312 個位或 8.28 毫秒每脈沖。其他位可以由衛星 304 預先定義。消息幀 404 的 312 個
     位通常是有效載荷位, 其中通信 ( 例如電話呼叫 ) 每 90 毫秒出現一次語音更新。每個幀每 0.18 秒重復一次, 并且所有位可以用于檢測消息幀 404 的邊緣。脈沖可以在消息幀 404 內 偏移特定 “時間槽” 。
     如果例如偽隨機碼是 312 位, 則存在具有 256 個消息的滿緩沖器。在此示例中, 每 個消息具有其自身的偽隨機碼, 使得不與其他代碼混淆。偽隨機碼可以近似每 20-40 秒重 復一次。可以采用已知的簡單偽隨機碼 ( 或其他代碼 ) 來區分 256 個消息并提供明顯的處 理增益。在一個實施方式中, 可以進行粗簡單代碼 ( 例如, 促進載波頻率的檢測的代碼 ) 和 更精確的偽隨機碼 ( 例如, 允許更準確的時間校準的代碼 ) 的交替。
     在一個示例中, 接收器單元 302 可以用于確定時間。緩沖器被加載并且廣播開始。 接收器單元 302 調諧到正確頻率并找到 L 頻帶幀中的位。接收器單元 302 找到與緩沖器的 第 n 個消息匹配的代碼。然而, 這并不告知時間, 僅僅告知它是第 n 個消息 ( 或者重復代碼 的 “代碼相位” )。
     如圖 2 的塊 352 和 354 中描述的時序相位信息和額外輔助信息可以如圖 2 的塊 356 所述那樣合并以形成獲得精確絕對時間的等式, 如在以下示例中相對圖 3 的實施方式, 其中等式 406 用于確定時間。在等式 406 中, 假設 256 個唯一消息每 46.08 秒重復一次。
     時間= 12:00am 開始時間 +(N-1)*46.08 秒 +(n-1)*0.18 秒 + 時間偏置 + 路程 / C( 光速 )
     其中, 衛星 304 緩沖器回放的已知的開始時間可以是限定日期的 12:00am( 上午 12:00), 并且可以經過數據鏈路投遞, 如圖 3 的等式 406 所示。 “N” ( 也稱為 “當前緩沖周 期” ) 是自開始時間起 256 個消息的偽隨機碼塊重復的次數。在一個實施方式中, “N” 可以 由接收器單元 302 的本地時鐘以約小于 10 秒的準確度確定。例如, 如果消息在 12:00am 廣 播, 并且接收器單元 302 具有同步到網絡 308 的時鐘, 則接收器單元 302 可以確定當前緩沖 周期 “N” 。即, 接收器單元 302 基于特定已知變量幫助求解數字 “N” 。
     “n” 是重復序列中的代碼相位。在等式 406 的示例中, 時間消息每 0.18 秒播放一 次, 并且包括 256 個唯一偽隨機消息。之后, 偽隨機碼從開始重復。因此, “n” 是 1 到 256 之 間的數。 “n” 使用例如偽隨機碼從衛星 304 測量, 并且精確到小于 10 微秒。
     如果接收器單元 302 知道哪個消息被接收, 則可以確定代碼相位 “n” 。甚至在存 在噪聲的情況下, 接收器單元 302 可以執行相關以確定接收了哪個消息。例如, 如果存在噪 聲, 則可以接收隨機位, 之后接收消息, 接著再次接收隨機位。 因此, 消息可能被噪聲損壞并 且消息可以包括損壞的位值。假設長消息被發送, 例如, 1000 位的消息, 則可以將這些位與 接收的位比較。如果例如 980 個位正確, 則比較接下來的 1000 個位等等直至達到峰值。當 正確位的數量大于平均數時, 達到峰值。在發送 1000 位的消息的示例中, 如果峰值是例如 600, 則確定是正確消息。由此, 在特定時間存在噪聲的情況下消息被接收并且被以統計方 式確定。下面將在圖 3A 中描述根據一個實施例確定接收的衛星信號的代碼相位 “n” 的方 法。
     例如, “時間偏置” 可以代表系統 300 中的任何計時偏置, 并且可以補償衛星 304 的 時鐘中的測量誤差和 / 或傳輸序列中的已知時間槽變化。時間槽可以由衛星 304 提供, 或 者可以由參考站測量, 或者作為服務的一部分可以是固定的或者是可預測的。在圖 3 的示 例中, 銥星的 90 毫秒的消息幀可以被分割為多個時間槽。如圖 3 所示, 可能發生脈沖, 并且脈沖可能在消息幀內偏移特定時間槽。接收器單元 302 可以通過網絡 308 獲知使用哪個時 間槽。網絡 308 提供諸如傳輸頻率即傳輸的子頻帶等基本信息, 該信息根據例如廣播的頻 率和 / 或其他因素頻繁變化。
     “路程” 代表衛星 304 和接收器單元 302 之間的距離, 并且利用可以通過數據鏈路 投遞的衛星 304 的軌道模型、 接收器單元 302 的位置的適當準確的知識以及近似時間 ( 作 為衛星軌道模型的輸入 ) 計算而來。 在一個實施例中, 為了獲得約 10 微秒內的準確度, 路程 估計的準確度必須達到約 3000m, 其可以等于地面上的約 20000m 的水平準確度。可以輕松 實現這種程度的定位, 例如, 通過蜂窩網絡技術。另外, 可以采用簡單波束覆蓋方法以基于 用戶目前位于哪個非 GPS 衛星波束中的知識以及最近的波束時間歷史來確定接收器單元 302 的位置。也可以適當采用粗定位的多種其他方法。在一個實施方式中, 針對衛星 304 的 衛星軌道信息 ( 星歷表 ) 包括諸如在各個時間點衛星 304 在衛星星座中的位置的信息以及 可以被接收器單元 302 用于準確地從衛星 304 獲得時鐘值的其他信息。在此實施方式中, 網絡 308 可以容易地確定小于 1 千米內接收器單元 302( 或用戶 ) 的位置。該路程的準確 度可以達到約 3 千米。接收器單元 302 的近似時間可以與軌道信息一起用于確定衛星 304 的位置。在衛星 304 的路程確定后, 接下來用該路程除以光速 ( 也稱為 “C” )。 圖 3A 示出根據實施方式確定接收的衛星信號的代碼相位的方法的流程圖。圖 3A 是衛星 304 包括銥星衛星的示例。在塊 2010 中, 可以從銥星衛星接收包括數據的信號以及 利用具有適當天線、 放大器和下轉換器的接收器單元 ( 如圖 1A 所示 ) 在整個銥星頻帶上收 集包括數據的信號。在塊 2020, 接收的數據可以被下轉換, 例如通過 1606MHz, 并且數據可 以被采樣, 例如, 以 50M 樣本每秒的速度。
     在塊 2030, 可以捕獲采樣的數據并將其以適當的塊存儲在存儲器中, 例如以二分 之一個片段的塊。
     在塊 2040, 對采樣的數據進行粗獲取 (course acquisition) 搜索。在本示例中, 可以選擇近似 9ms 的數據以便詳細處理。捕捉數據的多普勒可以使用已知的軌道模型和估 計時間來估計。可以基于已知 ( 或估計 ) 頻率子帶和通路 (access) 使用正弦和余弦函數 數字地解調數據。解調還包括估計的多普勒頻率。之后, 可以以例如近似 111 的因子對數 據進行抽取。快速傅立葉變換 (FFT) 可以用在抽取的數據上以確定最高峰值和關聯的頻 率。應注意關聯的頻率可以用于進一步改善下一迭代的解調。解調總體上將產生 DC 結果, 然而, 不完美的多普勒估計通常產生低頻分量。接下來, 可以考慮隨后的采樣數據的 1 毫秒 塊并且可以重復該過程。
     在塊 2050, 處理的數據被篩選出峰值以便執行一致性檢查。 例如, 峰值應當被分離 “n” *90 毫秒。
     在塊 2060, 一旦峰值被篩選出, 可以在粗峰值 +180 毫秒 -0.5* 窗口的位置執行精 獲取 (fine acquisition)。窗口代表期待找到代碼的時間范圍。例如, 接收的數據可能與 代碼中的 128 個非零消息相關 ; 之后, 可記錄最高相關峰值 ; 并且時步可以被遞增特定微秒 數。之后, 可以在窗口的持續期間內重復該過程。
     在塊 2070, 當通過知道哪個消息產生最佳峰值和知道相對時間而捕獲數據時可以 由接收器單元確定代碼相位。
     一旦代碼相位被確定, 即可確定精確絕對時間, 如以上參照圖 3 的等式的描述。
     利用以上根據一個或更多個實施方式描述的技術計算精確絕對時間之后, 精確絕 對時間可以用在多個應用 ( 諸如網絡同步 ) 中, 或者作為對諸如 GPS 等定位系統的輔助。
     在定位輔助實施例中, 如上所述確定的精確絕對時間可以被采用以 “調焦” 或校準 例如 GPS 接收器等接收器單元 302 的相關器。 在此情況下, GPS 接收器可以具有多個并列定 位系統相關器, 當并列定位系統相關器被充分地時間校準時 ( 例如使用此處描述的技術 ), 其能夠鎖定到來自例衛星 306( 如 GPS 衛星 ) 的信號 309( 例如 GPS 信號 ), 甚至在堵塞或衰 減的環境中。
     接收器單元 302 還可以補償多普勒頻移, 多普勒頻移指代由發射源相對于觀察者 的運動產生的發射電波的頻率變化。隨著衛星在天空中移動, 衛星信號的發射頻率發生變 化。通過使用其時間的知識, 接收器單元 302 可以預測和補償多普勒頻移, 從而能夠獲取正 確的頻率。在一個實施方式中, 多普勒頻移可以通過以下等式計算 :
     多普勒=路程速率 ÷Cx 正常發射頻率
     如上所述, 到衛星 304 的路程是接收器單元 302 與衛星 304 的位置之間的距離。 路程速率是路程和時間的函數, 類似于例如基于兩個不同點之間隨時間經過的距離的速度 測量。最后, 在以上多普勒等式中, 銥星衛星的正常發射頻率, 例如可以是 1.6GHz 數量級。 “C” 代表光速。 網絡 308 提供衛星信息以及針對信號的預調諧信息, 從而當發生多普勒頻移時, 信號變化相應地保持一致。
     衛星 304 的多普勒曲線也可以輔助確定計時信息。接收器單元 302 可以監視隨時 間推移從衛星 304 接收的各種信號 305。通過確定隨衛星 304 在高空移動而發生的多普勒 頻移, 接收器單元 302 可以獲得接收器單元 302 位置的精確確定和計時信息。由此, 再次參 照圖 3 的等式 406, 接收器單元 302 的位置的估計可以參照衛星 304 的多普勒曲線執行。
     由此, 在上述實施方式中, 根據等式 406 的精確絕對時間可以被傳送到接收器單 元 302, 其中存在地面網絡 ( 例如網絡 308) 以支持空間網絡 ( 例如衛星 304 和 / 或衛星 306 的一個或更多個 )。
     在另一個將參照圖 3B 在下文中更詳細地描述的實施方式中, 通過例如使用銥星 衛星的固有 L 頻帶脈沖 (burst) 結構信號, 可以在不存在所述額外輔助信息的情況下實 現精確絕對時間。在各實施方式中, 衛星 304 可以是諸如銥星的 LEO 衛星, 并且衛星 306 可以是 GPS 衛星。在這種實施方式中, 已知銥星衛星使用根據 L 頻帶結構從 1610MHz 到 1625MHz 的頻率。GPS 載波也在 L 頻帶中, 中心頻率為 1176.45MHz(L5)、 1227.60MHz(L2)、 1381.05MHz(L3) 和 1575.42MHz(L1)。由于銥星和 GPS 頻率之間的接近, 接收器單元 302 能 夠從銥星和 GPS 衛星系統兩個衛星系統一起接收信號而不需要額外的天線。
     每個銥星衛星保持內部時鐘, 該時鐘被監視并且相對于協調通用時間 (UTC, Fr.Temps Universel Coordonné, 也稱為格林威治標準時間或祖魯時間 ) 保持 10 微秒內的 準確度而無時鐘漂移。因此, 銥星衛星提供的 L 頻帶信號可以準確地與 UTC 時間關聯在近 似 10 微秒內。L 頻帶銥星衛星信號由 90 毫秒幀構成。因此, 通過確定銥星衛星信號的 L 頻 帶幀的邊緣, 可以獲得準確的計時信息。
     參照圖 3B, 其提供圖示根據本發明的一個實施例在衰減或堵塞環境中執行時間傳 遞和導航的方法流程圖。圖 3B 圖示的方法可以使用圖 1 的導航系統實現, 只是在本實施方
     式中, 通過網絡 308 提供的額外輔助信息是不可獲得的。
     在塊 502 中, 接收器單元 302 檢測從衛星 304 廣播的信號 305 的幀結構 ( 例如當 被 L 頻帶銥星衛星信號實現時 )。 即使沒有良好定義或精確的代碼, 接收器單元 302 也能夠 檢測到銥星傳輸信號的 L 頻帶幀。由于在本實施方式中假設無法從網絡 308 獲得額外輔助 信息, 因此接收器單元 302 準備絕對時間的連續猜測或估計。利用足夠的現有知識, 時間估 計的次數通常一定是合理的數字。例如, 在銥星幀結構的 100 個幀中, 存在排隊的 GPS 秒。 由此, 時間估計或猜測的次數可以降低到 100 次。
     在塊 504, 一旦產生連續估計, 則接收器單元 302 的本地時鐘根據衛星 304 的信號 305 的幀結構被校準。
     在塊 506, 產生分別根據幀結構信號而隔離的多個時間估計, 其中至少一個時間估 計根據衛星 306 的信號 309 被校準。
     在塊 508, 可以將時間估計提供給接收器單元 302 的并列相關器。接著, 并列相關 器根據時間估計被校準。
     在塊 510, 根據衛星 306 的信號 309 校準的時間估計被標識并且該時間估計向接收 器單元 302 提供輔助信息。該輔助信息顯著改善接收器單元 302 有效地檢測衛星 306 的信 號 309 的能力。也就是說, 正如以上根據銥星衛星用于實現衛星 304 的實施方式所討論的, 平衡 (leverage) 多個并行電話呼叫是可能的, 例如確定衛星信號幀結構的幀邊緣。在本示 例中, 銥星具有 90 毫秒的幀結構。在每 100 個幀中, 存在彼此間排隊的相應 GPS 秒。因此, 通過僅僅知道幀邊緣, GPS 處理被明顯地改善, 因為嘗試 100 個幀比嘗試無限次數的估計更 容易獲得輔助信息。 以上參照圖 1-3B 描述的根據一個或更多個實施方式獲得精確絕對時間的系統和 方法可用于通過立即啟動無線網絡站 ( 例如 WiFi 收發器、 WiFi 兼容裝置、 802.11 兼容裝置 或其他無線裝置 ) 的搜索來推動室內導航。根據一個或更多個實施方式, 通過使用上述精 確絕對時間, 無線網絡站 ( 例如因特網熱點和 / 或其他類型的無線網絡站 ) 可以用作接收 器單元 302 的定位信標 ( 具有搜索位置 )。結果, 接收器單元 302 的漫游用戶可以在室內環 境中導航。
     圖 4 提供一種自成型導航系統 300a, 該系統根據本發明的實施方式使用衛星以允 許無線網絡站定位。在圖 4 中, 接收器單元 302a 可以配置為從無線網絡站 702、 704 和 706 接收可以包括輔助信息的測距信號 701、 703 和 705。每個無線網絡站 702、 704 和 706 與網 絡 708 處于信號通信中, 還從衛星 304a 接收精確時間和測距信號 710。 在一個實施方式中, 接收器單元 302a 的位置可以對應于漫游用戶的位置。
     應當理解無線網絡站 702、 704 和 706 可以包括 WiFi 收發器以及其他無線網絡站 裝置、 配置和 / 或網絡。另外, 網絡 708 可以包括因特網或其他合適的網絡, 諸如蜂窩網絡 或 TV 網絡。
     參照圖 5, 其提供根據本發明的一種實施方式通過集成衛星信號和無線網絡站信 號來執行地理定位的方法的流程圖。圖 5 的流程圖可以實現為用于圖 4 的導航系統中。在 此實施方式中, 來自例如銥星衛星和 GPS 衛星的衛星信號可以與 WiFi 或 802.11 類型信號 集成。
     在塊 802, 接收器單元 302a 接收采用可重復代碼形式的精確絕對計時代碼信號
     710, 諸如從衛星 304a 廣播的偽隨機碼, 衛星 304 例如是 LEO 衛星 ( 如以上參照圖 1-3B 根 據一個或更多個實施方式所描述的 )。
     在塊 804, 接收器單元 302a 通過無線網絡站 702、 704 和 / 或 706 接收輔助信息。
     在塊 806, 精確絕對計時代碼信號 710 與來自無線網絡站 702、 704 和 / 或 706 的輔 助信息一起用于確定達到數微秒準確度內的精確絕對時間。
     在塊 808, 使用精確絕對時間校準接收器單元 302a 的系統相關器, 例如 GPS 相關 器, 以幫助遮擋環境中的定位, 例如 GPS 定位。
     在塊 810, 接收器單元 302a 使用利用精確絕對時間所確定的定位信息搜索無線網 絡站 702、 704 和 706 的位置。
     在塊 812, 接收器單元 302a 接收測距代碼上傳送的無線網絡站 702、 704 和 706 的 位置信息。
     在塊 814, 接收器單元 302a 通過組合定位信息與來自一個或更多無線網絡站 702、 704 和 706 的測距信息來執行絕對地理定位。
     在一個實施方式中, 如果期望的話, 漫游用戶的位置 ( 例如接收器單元 302a 的位 置 ) 可以通過無線網絡站 702、 704 和 706 進行報告, 從而幫助用戶追蹤。
     圖 6 提供圖示根據本發明的另一實施方式通過集成衛星信號和無線網絡站信號 執行地理定位的方法的流程圖。圖 6 的流程圖可以實現為用于圖 4 的導航系統中。在此實 施方式中, 起信標作用的無線網絡站的定位還可以通過集成例如 ( 僅僅 ) 銥星衛星信號和 WiFi 或 802.11 類型信號 ( 具有更長的集成時間 ) 來實現。
     應當理解以上參照圖 5 在塊 802-806 描述的方法可以用于本實施方式以確定精確 絕對時間達數微秒準確度內。一旦絕對時間被確定, 則在圖 6 的塊 910, 使用絕對時間校準 接收器單元 302a 的系統相關器以有助于在遮擋環境中的定位。
     在塊 912, 接收器單元 302 隨時間測量多個衛星的衛星測距代碼 ( 例如銥星 iGPS 測距代碼 )。
     在塊 914, 假設無線網絡站 702、 704 和 706 是靜止的, 測距代碼與諸如軌道信息和 計時信號等衛星信息組合。
     在塊 916, 接收器單元 302a 通過反復集成經過的多個衛星 ( 例如銥星 ) 使用多點 定位 (multilateration) 計算定位。
     在塊 918, 使用定位信息搜索 WiFi 收發器 702、 704 和 706 的位置。
     在塊 920, 接收器單元 302a 接收測距代碼上傳送的 WiFi 收發器 702、 704 和 706 的 位置信息。
     在塊 922, 接收器單元 302a 通過組合來自 WiFi 收發器 702、 704 和 706 的定位信息 和測距信息執行絕對地理定位。
     根據一種實施方式, 可以通過無線網絡報告漫游用戶的位置 ( 如果期望的話 ) 從 而有助于用戶追蹤。
     為了確定測距, 例如, 可以確定到達的差值時間。 WiFi 收發器可以發送消息到接收 器單元 302a, 例如電話或計算機, 并且一旦接收器單元 302a 接收到消息即向 WiFi 收發器 發回一個消息。計算機或電話的處理期是已知的。WiFi 收發器知道接收器單元 302a 響應 WiFi 收發器所用的時間。由此, 可以計算到達的差值時間 (DTOA), 并且該時間將等于收發器單元的處理期加上消息返回 WiFi 收發器的時間。
     在可應用之處, 本公開提供的各個實施方式可以使用硬件、 軟件或硬件和軟件的 組合實現。另外在可應用處, 此處闡述的各個硬件組件和 / 或軟件組件可以組合為包括軟 件、 硬件和 / 或兩者的合成組件而不背離本公開的精神。在可應用之處, 此處闡述的各個 硬件組件和 / 或軟件組件可以分離為包括軟件、 硬件或兩者的子組件而不背離本公開的精 神。另外, 在可應用之處, 可以想到軟件組件可以實現為硬件組件, 反之亦然。
     根據本公開的軟件, 諸如程序代碼和 / 或數據, 可以存儲在一個或更多個計算機 可讀介質上。還可以想到此處標識的軟件可以使用一個或更多個通用或專用計算機和 / 或 計算機系統、 網絡和 / 或其他實現。在可用之處, 此處描述的各個步驟的順序可以改變、 組 合為合成的步驟和 / 或分離為子步驟以提供本文描述的特征。
     以上描述的實施方式僅僅為了說明的目的而不是限制本發明。 還應理解根據本發 明的原理進行各種修改和變化是可能的。因此, 本發明的范圍僅僅由接下來的權利要求限 定。

關 鍵 詞:
利用 衛星 系統 因特網 熱點 定位
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