專利名稱：用于在配置環(huán)境中定位的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于定位遠程資產(chǎn)的系統(tǒng)和方法，更具體地， 本發(fā)明涉及一種用于在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)不可用的局部環(huán)境下 運行的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)從根本上改變了在世界范圍內(nèi)導航、追 蹤定位及時間同步的方法。利用三十二顆在軌衛(wèi)星，GPS在可以接收信 號的任何地方提供持續(xù)的定位服務(wù)。隨著使用GPS、精確到數(shù)米的低成 本定位傳感器的出現(xiàn)，該技術(shù)已經(jīng)迅速擴大到包括動力系統(tǒng)、通信、運 輸和軍事的核心基礎(chǔ)設(shè)施。這項性能作為國有資產(chǎn)的重要性不可低估且
由于以下事實而尤顯重要，即許多其它國家此時正在運用或者開發(fā)它們 自身的GNSS，包括俄羅斯、日本、中國和歐盟。
盡管其存在諸多優(yōu)點，GNSS具有一個顯著的缺陷典型地，基于 衛(wèi)星的導航系統(tǒng)信號在到達定位接收器時非常弱。在一些情況下，如 GPS，這是其設(shè)計的關(guān)鍵部分，但實際上，很難操作大功率在軌傳輸器 (transmitter)。由于障礙物往往會減弱信號功率，并使其不能用于定 位，或者至少大大減弱整體測量能力，因此這些弱信號使得難以操作在 如室內(nèi)的受阻環(huán)境中的定位接收器。
盡管已做出巨大努力來克服這些限制，具體是輔助GPS和高靈敏度 GPS，實際上，在受阻環(huán)境下使用GNSS的米級定位無法得到廣泛應(yīng)用。為了提供受阻環(huán)境下的定位，已經(jīng)開發(fā)了另一種名為實時定位系統(tǒng) 的定位技術(shù)，其源自射頻識別(RFID)技術(shù)。
通過使用諸如到達時間差(TDOA)、接收信號強度(RSS)、固定 讀取器和地標標記之類的多種方法，RTLS提供了多種定位能力和精度。 最先進和多用途系統(tǒng)趨向于使用TDOA，并且能夠提供數(shù)米以內(nèi)的定位 精度。 一些系統(tǒng)甚至聲稱米級以下的精度，雖然這趨向于處于高度控制 的環(huán)境下。盡管有希望，但是RTLS系統(tǒng)的安裝和運行非常昂貴。當需 要高精度時，除了有限的應(yīng)用，設(shè)備的成本和復雜性使得其僅理論上能 夠?qū)崿F(xiàn)。RTLS提供多種可以處理以適于多種應(yīng)用的方案；然而，當與基 于GNSS定位的相對簡易性和廣泛可用性相比時，它們都不盡如人意。
此外，對于需要在局域受阻和廣域未受阻這兩種環(huán)境下定位的組合 應(yīng)用，由于GNSS或RTLS均不能單獨實現(xiàn)需要，因此選擇極端受限。 由于組合的RTLS和GNSS系統(tǒng)很大程度上不兼容并難以整合且因此非 常昂貴，所以組合的RTLS和GNSS系統(tǒng)是不切實際的。己做出數(shù)種努 力來使用偽衛(wèi)星調(diào)整商用GPS接收器技術(shù)以提供RTLS能力。盡管在概 念上很誘人，但這些方案充其量太昂貴且功率太密集，因而在解決多個 RTLS應(yīng)用中不可實現(xiàn)，最糟的是，由于它們趨向于阻塞正常GPS操 作，因而在世界大部分地方它們的運行是非法的。
因此，需要一種成本可取、高精度的定位技術(shù)，其在使用局部配置 的信標基準點的受阻環(huán)境下運行良好，且對于廣域未受阻環(huán)境能夠利用 諸如GPS衛(wèi)星之類的GNSS基準點。
術(shù)語概要
以下某些術(shù)語的定義有幫于提供本發(fā)明的優(yōu)選和備選實施例的討論 的基礎(chǔ)。
"歷書"指描述基準點或物理狀態(tài)傳感器的配置、當前物理狀態(tài)或預(yù) 測未來物理狀態(tài)的信息。該信息可以由基準網(wǎng)絡(luò)處理器在內(nèi)部產(chǎn)生或由 外部源(例如用于GPS歷書和精度星歷的GPS接收器)提供。典型地， 歷書信息具有適用時間，并以使其相對易于進行物理狀態(tài)估計的格式來 存儲。"歷書校正"指對于歷書信息的校正。這些校正典型地是對于歷書的 一個或更多個要素的調(diào)整，并且當與完全歷書記錄相比，其在尺寸上更 緊湊，因而減少了帶寬和存儲需求。
"配置數(shù)據(jù)"指定義了系統(tǒng)配置和與外部基準的關(guān)系的信息。配置數(shù) 據(jù)包括基準點的規(guī)格、坐標系變化、以及外部時間變換數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)信 息也可以包括綜合性能準則的安全屬性、物理狀態(tài)傳感器登記和規(guī)格。
"坐標系統(tǒng)可靠基準"指坐標系統(tǒng)基準系中已知或接受的位置，其被 確定為比系統(tǒng)終端用戶的性能需求的精度更好的精度。
"微分可觀察量"指每次來自兩個或更多個攔截器的可觀察量被微分 而產(chǎn)生微分測量時所形成的可觀察量，所述微分測量有效地消除了由于 發(fā)射器的物理狀態(tài)的不確定性而導致的系統(tǒng)誤差。注意，存在一階、二 階和更高階的微分可觀察量。優(yōu)選的實施例典型地使用一階微分。
"發(fā)射器"指產(chǎn)生能量發(fā)射的任意物體。
"能量發(fā)射"指在一些傳輸介質(zhì)中傳播的結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化能量，可 以被攔截和處理。結(jié)構(gòu)化發(fā)射包括其特性已知且確定、并可通過一些方 法預(yù)測的任意發(fā)射。非結(jié)構(gòu)化發(fā)射是不被認為是結(jié)構(gòu)化的和典型地具有 隨機特征的任意物。
"攔截器"指能夠攔截至少一個能量發(fā)射的任意物體。
"位置傳感器"指被配置為產(chǎn)生可用于位置確定的客觀察量的物理狀 態(tài)傳感器。
"導航處理器"指一種物理狀態(tài)傳感器，其被配置為處理至少一個物 理狀態(tài)傳感器的可觀察量，從而產(chǎn)生對物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)的估 計。物理狀態(tài)估計可以通過任意種方式來實現(xiàn)。優(yōu)選的實施例使用包括
最小平方、Kalman濾波和混合法的隨機估計方法的組合。
"可觀察量"指在發(fā)射器與攔截器之間的某些傳輸介質(zhì)中傳播的攔截
"^理狀態(tài)"指相對于設(shè)備的基準系的物理特性，其包括以下中的至 少一個或多個位置、海拔、時鐘和時間導數(shù)。位置和海拔可以是一 維、二維或三維的。位置是沿一個軸或多個軸的線性距離的測量。"海 拔"是關(guān)于某些軸的角度旋轉(zhuǎn)的測量。時鐘是時間的測量。時間導數(shù)是初始物理特性的時間導數(shù)。
"物理狀態(tài)估計"或"PSE"指從可觀察量導出的物理狀態(tài)的計算估計。
"物理狀態(tài)估計器"指一種系統(tǒng)元件，其對預(yù)定配置數(shù)據(jù)給出的可觀 察量進行處理，從而產(chǎn)生物理狀態(tài)估計。
"物理狀態(tài)傳感器"指一種系統(tǒng)元件，其用于感測物理狀態(tài)。該物理 狀態(tài)傳感器可以是能量攔截器或者發(fā)射器，這取決于配置。
"基準點"指作為用于測量一個或更多個位置傳感器的位置的基準的 點。基準點元件可以是在某種傳輸介質(zhì)中傳播的能量的發(fā)射器或接收 器。它們可以位于坐標系統(tǒng)基準系內(nèi)的已知可靠點處?；鶞庶c也可以是 移動的，或者是外部起點，例如類星體、機會衛(wèi)星信號、以及任意其它 能量發(fā)射器?；鶞庶c的初始特性是在對基準點與物理狀態(tài)傳感器之間的 相對物理狀態(tài)進行估計之前已知的一個或更多個物理特性。
"測距信號"指特意設(shè)計為具有可用于測量發(fā)射器與攔截器之間的距 離的適當特性的結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射。
"測距信號發(fā)射器"或"RST"指發(fā)射測距信號的發(fā)射器。其可以是全 球?qū)Ш叫l(wèi)星、本地信標，或者產(chǎn)生可以用作測距信號的信號的任意發(fā)射
器o
"基準網(wǎng)絡(luò)處理器"指一種物理狀態(tài)估計器，其被配置以估計至少一 個基準點相對于第二基準點的物理狀態(tài)，并在隨后使用產(chǎn)生的物理狀態(tài) 信息來對歷書和校正信息以及系統(tǒng)的其它相關(guān)配置數(shù)據(jù)進行更新。
"基準SCT"指頻譜壓縮器和翻譯器，其被指定為系統(tǒng)中的基準點。 "頻譜壓縮器和翻譯器"或者"SCT"指一種被配置為攔截器的物理狀 態(tài)傳感器，其使用至少一種頻譜壓縮方法來處理攔截的能量發(fā)射，產(chǎn)生 可用于物理狀態(tài)估計的可觀察量。
"頻譜壓縮"指一種用于在能量通過傳輸介質(zhì)進行傳播時提取以所攔 截能量的振幅、相位和時間導數(shù)形式的變化的物理特性的過程，而不考 慮保留能量發(fā)射內(nèi)潛在調(diào)制的信息內(nèi)容。該提取過程利用能量發(fā)射和發(fā) 射器的至少一種或多種己知的物理特征，以將寬帶頻譜內(nèi)容提取為窄帶 方法，其保留了物理特性?？梢詧?zhí)行寬帶頻譜內(nèi)容的提取，而不考慮調(diào) 制的信息內(nèi)容，這能夠?qū)崿F(xiàn)有效的過程增益，從而產(chǎn)生用于提取物理特性的高信噪比。
"系統(tǒng)控制器"指一種系統(tǒng)元件(典型地為軟件)，其具有協(xié)調(diào)系統(tǒng) 操作管理配置、校準的責任，并協(xié)調(diào)信息到系統(tǒng)中其它元件的流動。系 統(tǒng)控制器實現(xiàn)協(xié)調(diào)其它系統(tǒng)功能所需的定時和控制功能，以提供特定性 能和服務(wù)質(zhì)量。應(yīng)注意，這些功能可以由單個控制器在物理上實現(xiàn)或者 在一組控制器之間分布/分享，這取決于特定實現(xiàn)需要。
"時間基準"指一種外部信號，其提供有用于同步系統(tǒng)的時間和頻率 基準的外部時間和頻率信息。最普通的外部時間基準之一是協(xié)調(diào)世界時 間(UTC)和GPS時間，使得系統(tǒng)時間和頻率基準能夠被鏈接到那些特 定的系統(tǒng)。
"傳輸介質(zhì)"指能夠以形式傳播能量的任意介質(zhì)；介質(zhì)包括自由空
間、液體、固體和氣體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于確定物理狀態(tài)傳感器相對于己知基準點的物理 狀態(tài)和基本位置的系統(tǒng)和方法，已知基準點可以包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星(例
如全球定位系統(tǒng)(GPS))和本地信標，以便即使在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)不可用或另外受阻時，提供適當?shù)母采w。本發(fā)明提出一種用于 基于信標的局域定位系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，利用RF (或其它信號)給一個 或多個位置傳感器提供測距信號。
用于在配置環(huán)境下提供物理狀態(tài)信息的本發(fā)明系統(tǒng)的示例性實施例 包括至少一個發(fā)射器，在傳輸介質(zhì)內(nèi)發(fā)射能量；至少一個攔截器，接 收從發(fā)射器穿過傳輸介質(zhì)傳播的能量，其中該攔截器被配置為使用頻譜 壓縮來處理接收到的發(fā)射，以產(chǎn)生適用于物理狀態(tài)估計的一組可觀察 量。該系統(tǒng)將該可觀察量則傳送至物理狀態(tài)估計器，物理狀態(tài)估計器被 配置為基于從攔截器接收的可觀察量組來確定攔截器與發(fā)射器之間的一 項相對物理狀態(tài)。然后，系統(tǒng)報告基于從攔截器接收到的可觀察量組而 確定的相對物理狀態(tài)的項。
本發(fā)明的用于提供配置環(huán)境內(nèi)的物理狀態(tài)信息的方法的示例性實施 例包括以下步驟從至少一個發(fā)射器通過傳播介質(zhì)發(fā)射能量；在攔截器處攔截能量發(fā)射；使用頻譜壓縮對接收到的能量發(fā)射進行處理，以產(chǎn)生 與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的一組可觀察量；將該可觀察量組傳送至物理狀態(tài)估計
器；接收屬于配置環(huán)境內(nèi)的發(fā)射器和攔截器的部署和配置的配置數(shù)據(jù)； 基于該可觀察量組和配置數(shù)據(jù)，確定攔截器與發(fā)射器之間的一項相對物 理狀態(tài)；以及報告該項相對物理狀態(tài)。
本發(fā)明的產(chǎn)生的備選實施例克服了與當前系統(tǒng)和方法相關(guān)聯(lián)的缺 點，并提供了節(jié)省成本的、實現(xiàn)簡單且和可快速部署的系統(tǒng)，其具有完 全獨立的物理狀態(tài)估計的方法，其使用局域信標和/或諸如GPS的廣域 GNSS衛(wèi)星。


下面將參考后面的附圖詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選和備選實施例。
圖1是邏輯系統(tǒng)框圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的本發(fā)明的組
件，包括測距信號發(fā)射器、頻譜壓縮器和翻譯器及處理部分，用于使用
截取的能量來確定物理狀態(tài)；
圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的本發(fā)明與現(xiàn)有通信資產(chǎn)的整合； 圖2B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的集成有物理狀態(tài)確定處理器
的頻譜壓縮器和翻譯器的部分；
圖2C和2D圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的集成有通信資產(chǎn)的頻譜
壓縮器和翻譯器的程序塊級部分；
圖2E和2F顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的頻譜壓縮器和翻譯器的附加
的程序塊級集成場景；
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的本發(fā)明在混合運算模式下與GNSS
信號相結(jié)合的場景的邏輯框圖4A圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的測距信號傳輸器的細節(jié)； 圖4B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的測距信號在RST內(nèi)的產(chǎn)生； 圖5A圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的頻譜壓縮器和翻譯器的功
能；
圖5B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的SCT的通道處理器部分的功圖6圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的物理狀態(tài)估計器，其將觀察到 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理狀態(tài)元素；
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例用以產(chǎn)生基準校正數(shù)據(jù)集的聯(lián)邦濾波 的過程；
圖8A和8B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的微分相對與絕對定位之 間的差異；
圖9圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的3D定位部署場景；
圖10圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的在其中RST和GNSS信號兩
者均可用于混合定位的配置場景；
圖11圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的、用于搜索和營救操作的本發(fā)
明的應(yīng)用；
圖12是邏輯系統(tǒng)框圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明實施例的本發(fā)明的部分， 包括發(fā)射器、攔截器和物理狀態(tài)估計器，用于使用攔截的能量確定物理 狀態(tài)；
圖13A圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理 狀態(tài)信息的方法；
圖13B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理 狀態(tài)信息的能量發(fā)射攔截和處理方法；
圖13C圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的使用峰值檢測器的窄帶數(shù)據(jù) 處理的方法；
圖13D圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的使用相位跟蹤環(huán)的窄帶數(shù)據(jù) 處理的方法；以及
圖13E圖示說明了根據(jù)本發(fā)明實施例的使用互相關(guān)的窄帶數(shù)據(jù)處理 的方法。
具體實施例方式
存在一些情形，其中由于衛(wèi)星信號或者太弱、受阻或者偶然或被有 意地干擾，用于確定某些傳感器的物理狀態(tài)的GNSS實現(xiàn)無法實行。這 種情形會發(fā)生在封閉的空間中，諸如在金屬構(gòu)造的倉庫內(nèi)、地面/碎石 下、或者可能的GNSS干擾環(huán)境。通過綜述，本發(fā)明利用信標星座環(huán)境，其雖然發(fā)射功率低(<1微
瓦)，但其提供比GNSS信號強40到60dB的信號通量(flux)，并因而 能夠在配置環(huán)境、或者換言之在能夠以提供系統(tǒng)操作員最大靈活性的方 式部署信標星座的環(huán)境的背景下，確定傳感器在GNSS缺失或不可靠的 任務(wù)下的物理狀態(tài)。信標的星座使用擴頻技術(shù)，而不需要時間和頻率的 同步，同時實現(xiàn)了充分穩(wěn)定的頻率控制，以通過其頻率偏移單獨地標識 信標。這種信標星座可以是在陸地、海洋、空中或者空間環(huán)境中。
例如，在偶然或故意的干擾己使GPS (GNSS的類型)不可用的陸 地情形中，可以使用無人飛行器、UAV、檢測氣球載或者火箭/降落傘信 標部署。頻譜壓縮模式優(yōu)選地用在具有高動態(tài)范圍數(shù)字采樣的GNSS傳 感器中，用以容忍海拔的殘余干擾。在本實施例中，頻譜壓縮GNSS數(shù) 據(jù)經(jīng)由通信信道下行線傳或者備選地內(nèi)嵌在信標頻譜中。由此，可以確 定這些空中信標的動態(tài)物理狀態(tài)。
信標是發(fā)射松散限制的信號結(jié)構(gòu)的設(shè)備，它們被配置以簡化整個設(shè) 計，以最小化截取設(shè)備的成本、最小化數(shù)據(jù)鏈接需求并簡化物理狀態(tài)估 計器。這些信標的概念并不限于在任何一種發(fā)射形態(tài)下運行。在備選的 實施例中，這些信標在幾種物理區(qū)域中運行，例如電磁(RF、光或X射 線和伽瑪?shù)暮藚^(qū)域)區(qū)域和聲區(qū)域(通過水、空氣或者固體材料)。
優(yōu)選實施例的信標調(diào)制采用擴頻全載波抑制，以實現(xiàn)多個信標的碼 分多址(CDMA)同時接收。來自所有信標的調(diào)制在整個信標星座之間 可以是或者可以不是相位相干或者時間同步的。星座信號相干和同步狀 態(tài)是由所需特殊配置所做選擇而產(chǎn)生的結(jié)果以及與遠程接收器設(shè)備的成 本及靈活性相關(guān)的事務(wù)。
優(yōu)選的設(shè)計理念是三個部分的衛(wèi)星導航結(jié)構(gòu)和頻譜壓縮GNSS接收 方法的結(jié)合。寬帶RF信號結(jié)構(gòu)最小化頻譜密度以及與可能處于該區(qū)域中 的其它RF設(shè)備發(fā)生干擾的可能性，同時限制對本發(fā)明系統(tǒng)的干擾的可能 性。這優(yōu)選地通過在整個最大允許頻帶(大約20MHz)上擴展信號來實 現(xiàn)，通過利用預(yù)定范圍的ISM頻帶，例如根據(jù)現(xiàn)行美國規(guī)章以 915MHz、 2.4GHz和5.8GHz為中心的范圍。
14系統(tǒng)和方法縱覽
優(yōu)選實施例提供了一種局域定位系統(tǒng)和方法，其產(chǎn)生高精度定位 (如果需要厘米)，操作簡單，低成本較低，從而實現(xiàn)利用的普遍性。 更具體地，本發(fā)明混合了三種方法射電天文空間大地測量學、擴頻通 信和對GPS信號的非線性處理方法。
諸如甚長基線干涉測量(VLBI)空間大地測量之類的射電天文采用 不相干無線電源、典型地類星射電源陣列的概念，以作為基準系，從而 確定兩個或更多射電望遠鏡之間的三維向量分離性。
擴頻CDMA通信采用使用線性抽頭移位寄存器反饋數(shù)字發(fā)生器的直 接序列偽隨機噪聲(PRN)產(chǎn)生方法。PRN發(fā)生器使用內(nèi)部頻率源來操 作移位寄存器操作的時鐘控制，其用于實現(xiàn)載波信號抑制并擴展信號以 降低頻譜密度。這同時提供了信道復用、對頻段內(nèi)干擾的相對抗擾性以 及檢測和截取的低可能性的優(yōu)點。
非線性GPS信號利用的方法提供了已知為頻譜壓縮的獲取方法的基 礎(chǔ)，該方法最小化有關(guān)定制芯片/固件開發(fā)和DC功率消耗方面的費用。 典型的GPS接收器通過具有每一衛(wèi)星用于擴展遙測調(diào)制到其上的載波信 號的、PRN碼序列的先驗知識來起作用。這反過來使得GPS接收器能夠 提取包括每一衛(wèi)星的時間和頻率同步狀態(tài)的導航消息，從而用于GPS接 收器內(nèi)部處理器以自動方式獲得其位置和速度。通過比較，頻譜壓縮 GPS方法從多個同步衛(wèi)星中獲得相位測距數(shù)據(jù)類型，而無任何用于擴展 載波信號的PRN碼序列的任何知識。
信標星座的設(shè)計不需要時間和頻率同步，同時仍用作確定物理狀態(tài) 的基準系。以最簡單的形式，信標形成非常低頻譜密度的低功率RF信號 的非相干陣列，從而避免干擾相同頻譜區(qū)域(極可能為ISM頻段)中的 其它系統(tǒng)。非相干信標陣列可用于在VLBI的差分相對定位方法。信標和 位置傳感器取決于和便宜的數(shù)字腕表中所使用的那些差不多的晶體基準 源，其具有大約百萬分之十(10 PPM)的頻率精度和穩(wěn)定性。在頻譜壓 縮方法中，不進行遙測提取。結(jié)果，通過它們相對于PRN序列碼片速率 標稱頻率的指定頻率偏移，信標彼此不同。
位置傳感器不用對己知PRN碼序列進行互相關(guān)信號處理就能導出偽測距。頻譜壓縮方法使得能夠獲得從恢復每一信標的碼片頻率的延遲相 乘非線性處理導出的模糊相位測距可觀察量。每一信標優(yōu)選地利用同一 PRN序列。在優(yōu)選的實施例中，PRN碼具有最大長度，這意味著其具有
自相關(guān)函數(shù)，即除了當位移為0或者值等于2n-l的碼長度時，所有位移 值為O，其中n是移位寄存器階的數(shù)目。
利用對信標間基線向量的所有不重復對的校準處理，本發(fā)明將該N 個信標組合成維度為n/2x (n-l)組合的大地控制網(wǎng)調(diào)整的等同物。例 如，利用根據(jù)本發(fā)明所述的校準方法而被配置為接收或發(fā)送的六個信 標，在網(wǎng)絡(luò)中將有十五個獨特的基線向量?；诰W(wǎng)絡(luò)的計算產(chǎn)生關(guān)于數(shù) 據(jù)處理的優(yōu)點，尤其當存在RF多路污染時；例如，多路污染將為每一基 線向量所特有，而非整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的。因而，作為本發(fā)明的結(jié)果所產(chǎn)生 的網(wǎng)絡(luò)調(diào)整在導出真實信標物理狀態(tài)的最佳估計方面是有效的，并且在 應(yīng)用于由位置傳感器所進行的測量時提供關(guān)于單個測量精度的品質(zhì)因 數(shù)。這些網(wǎng)絡(luò)估計可以應(yīng)用于連續(xù)監(jiān)視配置數(shù)據(jù)的完整性，以使得系統(tǒng) 自身校準，并能夠監(jiān)控信標的物理狀態(tài)相對于共同內(nèi)部參照系的不期望 的變化。在本發(fā)明中，可以將位置傳感器物理狀態(tài)可以作為網(wǎng)絡(luò)的部分 而進行估計，或者在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)調(diào)整之后作為根據(jù)先驗信標歷書信息的校 正。
作為示例，設(shè)想了本發(fā)明的不同備選實施例，這些備選實施例部分 說明了該技術(shù)的范圍和適用性。
集中式處理單元接收能夠?qū)λx位置傳感器和基準點的物理狀態(tài)進 行估計的一個或多個位置傳感器和基準點的頻譜壓縮可觀察量。
在某種程度上，可以任意放置信標，因為它們自身可以用作位置傳 感器，在部署后校準模式下在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)定位其自身。在本實施例中，除了 水平放置至少一個信標設(shè)備之外，其垂直放置用于實現(xiàn)3-D定位。
位置確定系統(tǒng)可以無干擾地在己有通信頻段以下。本實施例利用任 一種已有系統(tǒng)來增加其性能，而不需要特殊通信網(wǎng)絡(luò)的存在。同時觀察 來自基準位置傳感器以及來自第二位置傳感器的信標信號，形成了消除 了共同時間偏移的差分信號。在本實施例中，定時需求降低，而不犧牲 整體測量精度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的振蕩器。CDMA信號在其PRN碼片頻率上是分離的，該分離足以進行惟一標識。不需要諸如溫度補償晶 體振蕩器(TCXO)之類的優(yōu)于1PPM精度的頻率標準。在備選實施例 中，利用低成本的振蕩器可實現(xiàn)米級精度位置確定，盡管將需要信標碼
片頻率之間成比例的更大分離，所述低成本振蕩器精確至大約50PPM。
每一信標在多信道上發(fā)送擴頻CDMA (碼分多址)調(diào)制信號，所述 多信道基本上重疊，但所具有的每一信標對于其PRN (偽隨機噪聲)序 列產(chǎn)生器具有略微不同的碼片頻率。該處理方法不要求多個信標單元之 間的信標基準頻率協(xié)調(diào)、相位相干或者時間同步。以非常長周期(類似 于數(shù)百日)抽頭反饋移位寄存器序列來調(diào)制特定RF頻段內(nèi)的測距信號， 從而使得有數(shù)百個信標同時操作于給定碼生成。每一信標在長序列內(nèi)時 間偏移，因此其僅提供其序列在1天的間隔的部分。在一個備選實施例 中，在所有信標中使用適當?shù)娜貜蚉RN碼序列，其具有10.23MHz 的碼片頻率，且每一信標在任意時間開始。本實施例利用以下事實存 在曾具有兩個相同的在50 mec內(nèi)重合并保留的開始事件。在配置環(huán)境 內(nèi)，由PRN序列碼片頻率指示對特定信標的標識。例如，標稱 10.23MHz碼片頻率以上的125Hz的偏移可能對應(yīng)于位于大倉庫的東北角 天花板位置處的信標。
位于該信標所確定的局域定位系統(tǒng)的范圍內(nèi)的位置傳感器將利用頻 譜壓縮技術(shù)對CDMA信號進行解擴，從而恢復了正在接收的特定信標的 碼片頻率。每一信標將使用具有不同碼片速率(例如，10.23MHz、 1.023MHz和0.1023MHz，分別對應(yīng)于大約29米、293米和2.93千米的 模糊波長)的兩個或三個PRN信道，從而允許下一個最高頻率碼片頻率 的相位模糊的分辨率。頻率偏移、碼率和信道均可基于預(yù)期應(yīng)用、設(shè)備 環(huán)境和精度要求而配置，并且均可完全配置。在優(yōu)選實施例中，位置傳 感器采用FFT處理，根據(jù)每一接收到的信標信號來確定三個信道中的每 一個的振幅、頻率和相位。備選實施例也可以使用一系列鎖相環(huán)提取振 幅、頻率和相位，每一信道上的每一信標一個。
利用充分高的信噪比，單一附加102.3kHz信道足以從10.23MHz信 道分辨29.3m的模糊度。例如，利用操作于頻譜壓縮延遲相乘模式下的 接收器，實現(xiàn)100到1的振幅信噪比，相位噪聲將是0.01弧度或者0.6度或者1.6毫分或者5米。從102.3kHz碼率信道獲得的五米精度將可靠 地分辨29.3米模糊度。102.3kHz信道模糊度將具有其2.93千米模糊度， 然而，對于用戶遠程單元之間的間隔小于1.4km的物理空間而言，不存 在模糊度。在備選實施例中，可能具有293km模糊度的1.023kHz和500 米相位精度的第三信道可用于根據(jù)102.3kHz碼片頻率PRN產(chǎn)生器分辨 2.93km模糊度。
該技術(shù)應(yīng)用于其中位置傳感器位于待追蹤資產(chǎn)上的RTLS應(yīng)用，并 進一步應(yīng)用于諸如條形碼掃描器的應(yīng)用中，其中掃描單元本身用作位置 傳感器，并使位置與給定資產(chǎn)的條形碼識別相關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明的這些和其它實施例提供了以下優(yōu)點中的一些或全部
能夠任意放置信標，并且對于信標而言，能夠確定其自身的位置， 因而降低系統(tǒng)的安裝和使用的成本和復雜度。
能夠消除諸如在標簽與其它系統(tǒng)的讀取器之間的時間和頻率同步的 需求。這極大地降低了該系統(tǒng)部署所產(chǎn)生的復雜度和成本。該靈活度極 大地提供了在諸如搜尋和營救任務(wù)需要及時響應(yīng)的緊急情況之類的非標 準配置環(huán)境中進行部署的可能性。
在使用分布式架構(gòu)的情況下，在適當時進行數(shù)據(jù)的計算和處理。在 本發(fā)明的一個實施例中，這發(fā)生在中心位置，數(shù)據(jù)從單個單元轉(zhuǎn)移。在 備選實施例中，這發(fā)生在傳感單元自身內(nèi)。本發(fā)明動態(tài)定位計算算法的 能力使得能夠簡單且相對便宜地實現(xiàn)傳感器(如果合適)，或者如果對 于其它應(yīng)用合適，具有完全定位能力的更復雜和昂貴的傳感器。
能夠在相同平臺執(zhí)行混合的局域和廣域位置確定。也就是說，當 GNSS信號不可用時執(zhí)行局域定位，或者如果GNSS信號可用，同時處 理數(shù)據(jù)。
軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的使用能夠同時處理GNSS或其它機會信號， 而不用顯著改變硬件或軟件實現(xiàn)。
優(yōu)選的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
在本發(fā)明中，包括用于配置環(huán)境的物理狀態(tài)確定系統(tǒng)的功能部件 (component)可以以多種方式實現(xiàn)，以最優(yōu)化性能。圖1顯示了本發(fā)明的邏輯功能，而不考慮特定實現(xiàn)或者部署場景。該框圖顯示了本發(fā)明的 優(yōu)選實現(xiàn)中的典型基本塊和數(shù)據(jù)關(guān)系。
更具體地，參考圖1，本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述如下。以多個測距 信號傳輸器(RST) 101開始，系統(tǒng)發(fā)送多測距信號傳輸108，其由一個
或多個頻譜壓縮器和翻譯器(SCT) 103同時接收。RST優(yōu)選地通過RF 信號將一個或多個測距信號發(fā)送到周圍介質(zhì)中，典型地為自由空間，可 能在ISM頻段中，盡管其它介質(zhì)也是可以的，例如聲波信號通過水、泥 土、巖石或者建筑材料。這些備選信號優(yōu)選地具有對于特定環(huán)境最優(yōu)化 配置的特性。每一 SCT103接收來自多個RST 101的信號，并處理這些 信號，以產(chǎn)生包含用于估計SCT的當前物理狀態(tài)(例如位置、速度和時 間)的信息在內(nèi)的可觀察量110。這些SCT中的一個或多個被指定為基 準SCT 104，其可觀察量111用于系統(tǒng)校準和控制的目的。
繼續(xù)參照圖1，通過通信裝置將來自SCT的可觀察量110與基準可 觀察量111和歷書及校正數(shù)據(jù)一起傳遞到導航處理器105。在本發(fā)明的優(yōu) 選實施例中，不必在物理上協(xié)同定位導航處理器和SCT功能，因此塊之 間的數(shù)據(jù)通信相對最小，并且可由一種或多種通信形式處理，例如 Ethernet、 WiFi (802.11) 、 Zigbee (802,15.4)，或者能夠進行數(shù)據(jù)傳遞 的任何通信介質(zhì)。導航處理器105使用可以包括具有歷書數(shù)據(jù)/校正112 的可觀察量118和111在內(nèi)的可觀察量來確定物理狀態(tài)估計118，所述物 理狀態(tài)估計118包括特定時間點上的位置、海拔、時鐘和時間導數(shù)中的 至少一個。如果導航處理器使用適于在時間上向前或向后傳播狀態(tài)變量 的模型，則信號出現(xiàn)時間(epoch)可以是可觀察量中所指定的時間或者 過去或?qū)硇盘柍霈F(xiàn)時間。物理狀態(tài)估計118可以被報告給系統(tǒng)的特定 實現(xiàn)所限定的任意相關(guān)方。
系統(tǒng)控制器102用于協(xié)調(diào)和監(jiān)控系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)控制器102經(jīng)由 通信信號接收來自一個或多個基準SCTlll的可觀察量lll。該信息可以 包括可選的外部時間基準116和可選的坐標時間基準數(shù)據(jù)117，其優(yōu)選地 被收集并傳遞到功能單元106和107，以用于產(chǎn)生過去、當前、未來物理 狀態(tài)和配置的系統(tǒng)配置和校準信息。該系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)115由系統(tǒng)控制器 用于經(jīng)由通信信號119來配置并調(diào)整多個RST 101。系統(tǒng)控制器111和
19RST101之間的通信119在RST 101測距信號傳輸108被至少一個SCT 攔截的情況下是可選的，以使得系統(tǒng)能夠通過基準網(wǎng)絡(luò)處理器107來確 定RST 101的物理狀態(tài)?；鶞示W(wǎng)絡(luò)處理器107使用所收集的可觀察量和 關(guān)于系統(tǒng)配置的先驗信息來計算系統(tǒng)中的所有RST 101和基準SCT 104 相對于彼此的物理狀態(tài)。這些物理狀態(tài)優(yōu)選地包括對位置、速度(典型 地0)、時鐘和時鐘項(偏置、速率等)的估計以及RST傳輸特性，它 們被結(jié)合以形成歷書和校正數(shù)據(jù)1"。用于一個或多個信號出現(xiàn)時間的歷 書和校正數(shù)據(jù)114存儲在數(shù)據(jù)庫106中，其優(yōu)選地被配置為根據(jù)要求提 供這些數(shù)據(jù)。在備選實施例中，歷書和校正數(shù)據(jù)114的格式使得能夠通 過一個或多個傳播模型有效地計算未來狀態(tài)。如前所述，歷書和校正數(shù) 據(jù)既由系統(tǒng)控制器102又由導航處理器105使用。在本發(fā)明的優(yōu)選實施 例中，歷書和校正數(shù)據(jù)114包含用于每一RST和基準SCT的估計的狀態(tài) 向量，以及用于傳播模型的附加系數(shù)，其使得歷書和校正數(shù)據(jù)能夠在將 來成功地使用。將歷書和校正數(shù)據(jù)傳播到將來的能力取決于RST/基準 SCT振蕩器的質(zhì)量、需要的精度和傳播模型的復雜度。
集成無線數(shù)據(jù)通信配置
本發(fā)明的優(yōu)選實施例有利于降低實現(xiàn)SCT功能的單元的制造成本和 復雜度，同時最大化靈活度和性能。本發(fā)明的另一優(yōu)點是通過系統(tǒng)功能 性和無線數(shù)據(jù)通信功能的集成實現(xiàn)的，這使得能夠共享數(shù)字信號處理和 RF前端電路。如以下更詳細地描述的，與大多數(shù)無線數(shù)據(jù)通信接收器相 比，本發(fā)明的SCT功能顯著地降低了復雜度，并因此降低了成本。通過 作為通信功能的擴展實現(xiàn)SCT功能，物理狀態(tài)確定能力增加了很少的附 加成本。此外，通過將發(fā)送/接收數(shù)據(jù)功能結(jié)合進系統(tǒng)控制器中，自然地 出現(xiàn)與無線數(shù)據(jù)通信的集成。
圖2A示出了本發(fā)明與諸如Zigbee (802.15.4)之類的網(wǎng)狀無線數(shù)據(jù) 通信網(wǎng)絡(luò)的集成。SCT 103和無線數(shù)據(jù)接收器204結(jié)合以形成SCT通信 單元201。以其最簡單形式，單元201代表能夠進行RFID和物理狀態(tài)感 測的標簽。信標單元202優(yōu)選地包括RST 101、 SCT104和無線數(shù)據(jù)接收 器204。在整個物理區(qū)域上部署多個信標單元，以提供定位測距信號108和通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)205和206。 SCT 104與信標單元的集成使得每一信 標單元能夠用作基準SCT，其從部署在范圍內(nèi)的其它信標單元收集可觀 察量。通過該結(jié)合的測距傳輸和可觀察量的收集，系統(tǒng)有利于收集必要 信息，所述信息對于使用基準網(wǎng)絡(luò)處理器107來確定其自身配置而言是 必須的。在一個實施例中，系統(tǒng)控制器102、導航處理器105、基準網(wǎng)絡(luò) 處理器107和數(shù)據(jù)庫106結(jié)合，以形成系統(tǒng)控制單元203，所述系統(tǒng)控制 單元203集中了復雜的數(shù)據(jù)處理和管理功能。系統(tǒng)控制單元203優(yōu)選地 通過通信信號207經(jīng)由一個或多個信標單元連接到無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)205。對 于支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，信標單元202變成無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)205 和206中的節(jié)點。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)部署有效地簡化了定位系統(tǒng)的安裝，使得每 一信標單元202能夠經(jīng)由其它信標單元與系統(tǒng)控制單元203協(xié)調(diào)，而不 需要安裝其它通信介質(zhì)(例如，Ethernet)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中， 系統(tǒng)控制單元經(jīng)由Ethernet連接物理地連接到一個或多個信標單元，這 提供了穩(wěn)固和成本降低的優(yōu)點。對于更大便攜性和靈活性，可以通過將 無線數(shù)據(jù)接收器204直接連接到系統(tǒng)控制單元203來實現(xiàn)通信信號207。
一旦部署，如與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)集成(如圖2A中所示)，本發(fā) 明也可用于系統(tǒng)之外的通信裝置208與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)209之間的多種數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)應(yīng)用。如下面將進一步詳細描述的，本發(fā)明的通信需求最小化了對于 通信資源的需要，從而將大量帶寬留給其它動作。在優(yōu)選實施例中，系 統(tǒng)控制單元203是網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的網(wǎng)關(guān)，用以訪問無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)205和206 上的設(shè)備。無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)205和206可以通過數(shù)據(jù)加密和其它安全裝置 來保護，因此僅授權(quán)用戶能夠訪問和使用信標單元202和系統(tǒng)控制單元 203網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)，其用于在設(shè)備與服務(wù)之間中繼信息。
圖2B顯示了 SCT通信單元201的備選實施例，其中導航處理器 105直接集成有SCT 103和無線數(shù)據(jù)收發(fā)器204功能。該配置能夠在能從 系統(tǒng)獲得歷書和數(shù)據(jù)校正112的情形下在單元處實現(xiàn)對SCT狀態(tài)向量 118的計算。歷書和數(shù)據(jù)校正112事先地或由單元201請求在請求時交付 到SCT通信單元201。在備選實施例中，單元201可以向一個或多個基 準SCT請求可觀察量，以確定全微分方法。與圖2A的配置相似，圖2B 中所述的半自動配置可以根據(jù)需要利用系統(tǒng)控制單元確定的物理狀態(tài)估計。例如，該能力可以在以下情形下有用導航處理器105由于有限的 功率資源而導致不可用的情形。
圖2C顯示了 SCT通信單元201的備選實施例，其中機器到機器界 面(MMI) 235集成有核心SCT功能103和無線數(shù)據(jù)收發(fā)器功能204， 用以提供SCT物理狀態(tài)估計(PSE) 118和用于外部設(shè)備234的數(shù)據(jù)通信 233。該配置典型地具有位置使能的通信外圍設(shè)備，其中外圍設(shè)備234包 括用戶驅(qū)動軟件，使其能夠訪問SCT通信單元201的物理狀態(tài)確定和通 信功能。相對于SCT通信單元的復雜度，該配置提供了低成本實現(xiàn)。在 本實施例中，由系統(tǒng)控制單元203來處理可觀察量111，所述系統(tǒng)控制單 元203返回所產(chǎn)生的物理狀態(tài)估計118。該信息由SCT通信單元201經(jīng) 由MMI 235中繼至外部設(shè)備234。
圖2D顯示了 SCT通信單元201的備選實施例，其中導航處理器 105和MMI 235兩者均集成有核心SCT功能103和無線數(shù)據(jù)收發(fā)器功能 204，用以提供半自動定位能力。與圖2B中所示的實施例相似，該實施 例能夠在系統(tǒng)控制單元203傳送適當歷書數(shù)據(jù)和校正112的情形下確定 SCT物理狀態(tài)估計(PSE) 118。如圖2C， SCT通信單元201給外部裝置 234提供PSE 118和數(shù)據(jù)通信233。
圖2E顯示了具有外部裝置234的SCT通信單元201的備選實施 例，其中導航處理器105以外部設(shè)備作為主機。在這種情況下，外部設(shè) 備具有充分的處理能力，以執(zhí)行導航處理功能，從而使得能夠充分地簡 化SCT通信單元201，合并SCT功能103、無線數(shù)據(jù)收發(fā)機功能204和 MMI功能235，因而需要更少的功率。在設(shè)備選擇禁用其自身導航處理 器105功能的情況下，系統(tǒng)控制單元203提供歷書和校正數(shù)據(jù)112，禾口/ 或?qū)捎^察量lll的處理，以應(yīng)外部設(shè)備234的請求產(chǎn)生PSE118。
圖2F顯示了信標單元202的備選實施例，其中GNSS傳感器能力 可以使用單獨的GNSS傳感器功能240來提供。例如，關(guān)聯(lián)接收器的單 獨的GPS C/A碼可以與信標單元結(jié)合，以提供關(guān)于該單元的定時和大地 測量定位信息的本源(immediate source)，將地方時和坐標系約束到協(xié) 調(diào)世界時(UTC)和世界大地坐標系1984 (WGS-84) 。 GPS集成信標 單元具有作為WGS-84基準點的價值，并有利于本發(fā)明在更大戶外區(qū)域的部署，其中可以通過與GPS同時使用本發(fā)明來顯著地提高性能。
將本發(fā)明與無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)相集成，例如如前述系列框圖所示，
提供了用于特定應(yīng)用配置的更優(yōu)實現(xiàn)的靈活度。 一個示例是信標被配置 而不集成SCT或無線數(shù)據(jù)收發(fā)器的情況。該簡化的信標根據(jù)在其使用前 所加載的配置數(shù)據(jù)來發(fā)送測距信號。這些信標可以被部署在己知點，以 用于在不需要附加通信體系結(jié)構(gòu)時增強定位性能。該簡化的信標實施例 的生產(chǎn)比更完全集成的替代品成本低得多。
集成GNSS配置
本發(fā)明可以容易地用于同時地支持來自GNSS的測距信號以及由多 個RST發(fā)送的本地信號。圖3顯示了邏輯功能塊框圖，其中將GNSS感 測與本發(fā)明合并起來。將本發(fā)明早先標記為102、 103、 105、 106和107 的功能擴展為支持對附加可觀察量和歷書數(shù)據(jù)的接收、處理和管理，以 對GNSS測距信號進行處理。在本實施例中，SCT 103在兩個分離信道 上同時接收GNSS 303和RST 101，所述兩個分離信道均被配置為支持測 距信號類型的特定特性(RST或者諸如GPS之類的GNSS) 。 SCT產(chǎn)生 可觀察量110，并用信道配置數(shù)據(jù)標記該數(shù)據(jù)，從而使得可以由導航處理 器105容易地處理該信息。導航處理器優(yōu)選地被擴展為支持對RST和 GNSS可觀察量數(shù)據(jù)的同時處理?？梢栽诒镜刈鴺讼到y(tǒng)或者諸如WGS-84 之類的一些固地坐標系中對可觀察量進行處理。如同非GNSS支持的實 現(xiàn)，對于每一個SCT可觀察量組，導航處理器產(chǎn)生一個或多個物理狀態(tài) 估計118。
為支持對GNSS可觀察量的處理，包括圖3中的部件102、 106和 107在內(nèi)的系統(tǒng)管理功能被擴展為對諸如衛(wèi)星軌道、時鐘信息、狀態(tài)之類 的GNSS星座信息進行管理。GNSS星座和可觀察量301信息由GNSS 基準接收器302收集或由一些外部源(未示出)提供，并通過通信信號 304發(fā)送到系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器對這些數(shù)據(jù)進行格式化，以用于內(nèi)部 使用，并將其存儲在數(shù)據(jù)庫106中。提供給導航處理器的歷書和數(shù)據(jù)校 正112被擴展為包括除已提供的RST歷書和校正信息之外的GNSS星座 和當前GNSS可觀察量校正。在GNSS接收器是前述信標單元一部分的情況下(圖2E) ， GNSS可觀察量和信標星座信息均可由基準網(wǎng)絡(luò)處理
器107用以進一步改善信標的位置，并最終改進系統(tǒng)精度和準度。
測距信號傳輸
盡管存在多種可用于實現(xiàn)本發(fā)明的測距信號結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的優(yōu)選實
施例集中在選擇滿足以下準則的信號(1)包括必要的精度要求；(2)可以容易地產(chǎn)生；(3)可以被配置為以多種RF或者聲方式發(fā)送；(4)抗多路和噪聲；以及(5)與能量發(fā)射區(qū)域中的其它RST測距信號相比，具有低干擾特性。在優(yōu)選的實施例中，直接序列碼分多址(CDMA)擴頻是用于產(chǎn)生測距信號的優(yōu)選方法，其中偽隨機噪聲(PRN)序列是針對其低互相關(guān)和自相關(guān)性質(zhì)所選擇的最大長度的碼。
在優(yōu)選的實施例中，信標傳輸合并了碼正交性，因此在頻譜壓縮器的延遲相乘函數(shù)中將沒有明顯的互調(diào)產(chǎn)物。根據(jù)GPS的gold code獲得碼屬性，但典型地局限于32或34碼組。然而，備選的碼調(diào)制方法是可行的，例如如何使用267天的甚長碼序列來構(gòu)造P (Y)信道的GPS設(shè)計，該信道具有10.23MHz碼率。在P (Y)信道的示例中，將該甚長碼的七日部分分配給星座中的每一個衛(wèi)星，使得整個衛(wèi)星星座在每個星期六的午夜將碼序列的相位重置到其開始狀態(tài)。該P (Y)碼具有碼正交性的屬性，因此除了當碼移位是零或者267日的倍數(shù)時，每處的碼自相關(guān)均為零。在本發(fā)明中，可以配置具有最小自相關(guān)性的任意長碼，包括P(Y)碼生成，其后給每一個信標分配段。
許多信標可以在隨機開始時間操作，并且這些信標之間的互相關(guān)大致為零。例如，25階抽頭移位寄存器反饋偽隨機噪聲(PRN)序列生成器將具有大約34萬碼片碼長度的碼長度。假設(shè)10.23MHz的碼率，將用時3.3秒來重復該碼。
圖4A顯示了測距發(fā)送器(RST) 101的邏輯功能塊框圖，其實現(xiàn)了上述信號產(chǎn)生功能。RST使用多信道測距信號產(chǎn)生器406來根據(jù)需要的特性產(chǎn)生特定測距信號。然后，使用該信號對信號合成器405產(chǎn)生的中頻進行調(diào)制404?；谠撆渲?，由408對所產(chǎn)生的信號進行濾波(或者允許上頻帶、下頻帶，或者均傳送)，并將其傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器410。使用由信號合成器409產(chǎn)生的頻率，將所產(chǎn)生的模擬信號上變頻411到R.F.頻段。上變頻后的R.F.信號經(jīng)過高通濾波器412、放大器413，并被發(fā)送。RST控制器管理RST模塊的特殊配置403。每一模塊功能優(yōu)選地是可編程的，其提供了增強的靈活性的優(yōu)點。RST可以被編程為以各種RF頻率發(fā)送各種不同的測距信號結(jié)構(gòu)。測距信號傳輸器的邏輯結(jié)構(gòu)基于特殊實現(xiàn)設(shè)計和需要的優(yōu)化具有很多可能的變化。RST的優(yōu)選實施例是為了平衡成本、精度和靈活度。
圖4B顯示了多信道測距信號產(chǎn)生器406的邏輯功能塊。在本發(fā)明的本實施例中，產(chǎn)生器具有兩個可編程信道432和436，其驅(qū)動用于調(diào)制由數(shù)字信號合成器433所產(chǎn)生的I.F.信號的數(shù)字正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制器。調(diào)制器的輸出是集中在I.F.頻率的數(shù)字擴頻測距信號438。每一信道(432和436)優(yōu)選地包含驅(qū)動PRN序列產(chǎn)生器435的數(shù)字碼片時鐘434，其頻率和相位是可編程的。PRN序列產(chǎn)生器可編程以用于各種不同最大長度碼序列和序列內(nèi)的偏移。第一信道432優(yōu)選地被選擇作為粗信道(coarse channel)， 而第二信道436作為精信道(precisionchannel)。信道433、 434和436連接到共用外部振蕩器基準，以確保相位相干性。控制器430管理產(chǎn)生器配置，并提供用于配置該功能的簡化的接口 431。
測距信號處理
圖5A和5B圖示說明了前述SCT 103的內(nèi)部功能，并且是用于將測距信號處理為確定物理狀態(tài)所需的可觀察量的優(yōu)選實施例。在本發(fā)明的本實施例中，SCT處理直序擴頻測距信號，例如RST 101測距信號和由GNSS同時發(fā)送的測距信號(例如GPSC/A和P (Y) Ll/L2傳輸)。所示示例中顯示的方法采用頻譜壓縮技術(shù)，其允許適當構(gòu)造的測距信號能夠被壓縮為可觀察量(例如振幅、頻率、相位和時間基準)，而不需要復雜的互相關(guān)信號處理方法，其常用于典型的擴頻通信系統(tǒng)。利用單一信道，頻譜壓縮方法允許具有共同特性的所有測距信號同時壓縮為一組可觀察量。SCT可優(yōu)選地實現(xiàn)多信道，其實現(xiàn)了同時以相同或不同頻段壓縮多類型測距信號。通過該機制，該功能能夠同時地接收和處理RST
25和GNSS測距信號，而不損失作為從一個環(huán)境到另一個的SCT轉(zhuǎn)移的連續(xù)性。
盡管頻譜壓縮是用于處理攔截發(fā)射的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的備選實
施例可以使用互相關(guān)的相似方法，例如GPS，以產(chǎn)生用于信標和GNSS衛(wèi)星的碼相可觀察量。利用產(chǎn)生這種碼相可觀察量所必需的類型的傳感器實現(xiàn)起來將更復雜和昂貴；然而，在一些應(yīng)用中，如果例如需要要求傳感器能夠?qū)?nèi)嵌在測距信號傳輸內(nèi)的信息進行解碼，則可能需要這種備選方法。
在圖5A中，適當構(gòu)造的測距信號或者任意適當?shù)哪芰堪l(fā)射被連接到SCT前端501的RF天線504處的頻譜壓縮翻譯器(SCT)所攔截，所述SCT前端501包括低噪聲放大器(LNA) 503和RF下變頻級502。按照需要，可以實現(xiàn)多個前端501以支持多頻帶。例如，SCT可以被配置為支持集中在915MHz的一個RST/ISM頻帶和集中在1575.42MHz的GPS Ll頻帶或者集中在1227.6MHz的L2頻帶。前端501的輸出是到模數(shù)(ADC)級505的輸入，其提供數(shù)字中頻(I.F.)輸出。如下更詳細所述，優(yōu)選的是，ADC具有足夠的動態(tài)范圍，以容納信號電平相差很大的多個信標。將該數(shù)字化的I.F.信號506傳遞到一個或多個SCT信道處理器507，其產(chǎn)生用于物理狀態(tài)(例如導航)處理的可觀察量513。 RF前端501和SCT信道處理器507由SCT控制器508控制并同步化。該SCT控制器經(jīng)由控制消息509通信到RF控制器501，并經(jīng)由信道配置消息510通信到SCT信道處理器507。多SCT信道處理器可用于完全地捕捉由測距信號所提供的所有可用的定位可觀察量。例如，被配置為在ISM頻帶和GPS Ll中操作的SCT可以操作分配給以下測距信道之一的五個SCT信道處理器ISM RST粗信道、ISM RST精信道、GPS Ll C/A信道、GPSL1P (Y)信道和GPSL2P (Y)信道。如果存在分配的測距信號，這些信道中的每一個都產(chǎn)生可觀察量。
圖5B描述了 SCT信道處理器507的優(yōu)選的功能性。SCT信道處理器由信道數(shù)據(jù)獲取和控制功能524控制，所述信道數(shù)據(jù)獲取和控制功能524接收時鐘信息530。首先通過抗混疊濾波器521對數(shù)字IF信號506進行處理，以消除偽信號或者頻帶外信號。從521輸出的濾波信號通過延遲相乘處理522發(fā)送。延遲相乘522將濾波后的數(shù)字IF信號506分離成兩個分量， 一個是同相，而另一個由等于信標擴頻調(diào)制碼片速率的一半的間隔所延遲(例如，對于精度10.23MHz的信道為49毫微秒，而對于O.lMHz的粗信道為5微秒)。延遲信號與同相版本521信號相混合(相乘)，由此恢復所有信標101的碼片頻率。這些恢復的信號經(jīng)過濾波/基帶下變頻器523，在濾波/基帶下變頻器523中，將信號臨時保持在緩存525中。利用快速傅立葉變換526對緩存數(shù)據(jù)進行處理，并且經(jīng)由峰值檢測器527來識別與標識的信標信號相對應(yīng)的峰值。來自每一信標信號529的可觀察量包括振幅、頻率和相位以及觀察時間。
由于每一衛(wèi)星廣播唯一的PRN碼，因此每一 PRN序列的互相關(guān)乘積大致為零，GPS信號的頻譜壓縮操作。由于地球轉(zhuǎn)動且衛(wèi)星是二十四小時周期軌道，存在沿接收器的視線的多普勒頻移。從時間和GPS軌道的大致知識，可以預(yù)測什么多普勒頻移與每一單獨衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)。無碼操作、例如U.S.專利No. 4,797,677中教導的，允許通過對來自所有衛(wèi)星的寬帶信號的延遲相乘操作而恢復每一衛(wèi)星的碼片頻率。使用快速傅立葉變換(FFT)處理，每一個產(chǎn)生的光譜線與特定衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明提供了一種信號檢測方法，其相比于用于互相關(guān)檢測的預(yù)檢測寬帶信號捕獲緩存和傳輸是可用的，其是VLBI方法或典型擴頻系統(tǒng)的預(yù)檢測互相關(guān)處理。除了當碼非常匹配時(在半個碼片時間內(nèi))，PRN序列的數(shù)字性質(zhì)是具有非自相關(guān)匹配的那些。例如，如果碼片速率是10.23MHz，碼必然在49納秒內(nèi)對準，以產(chǎn)生干擾情形。相同PRN序列可以通過所有信標傳輸，如果它們不共享相同的PRN序列出現(xiàn)時間和碼片頻率。這些情況不能以任意開始條件和低成本自由運行基準振蕩器來實現(xiàn)。
因此，在如本發(fā)明所教導的延遲相乘檢測方法中，擴頻信標的每一個都優(yōu)選地解擴成信標碼片頻率的譜線。為避免碼片頻率譜線壓縮成同一頻率(例如10.23MHz)，每一信標包括在標稱10.23MHz值以上或以下的其自身的頻率偏移值。偏移數(shù)值由信標中提供的頻率基準的精度控制。例如，使用具有2PPM精度的基準振蕩器，頻率預(yù)計為在10.23MHz的+A20Hz以內(nèi)。假設(shè)相鄰信標信道的誤差會帶可能相反符號的相似量，因此每一信標需要附加的保護頻帶。例如，如果相鄰信標信道會沿相反代數(shù)意義移動，50Hz的信道間距會被認為充分分離，因此然后信標
可以僅間隔10Hz。頻率偏移圖形由值(50HzxN)設(shè)定，其中N是奇數(shù)。
在本發(fā)明用于高精度和穩(wěn)固性的備選實施例中，可以結(jié)合此處所述的頻譜壓縮方法使用傳統(tǒng)的互相關(guān)信號處理模式。在本實施例中，頻譜壓縮提供導出實現(xiàn)相關(guān)信道的迅速相關(guān)鎖定所需的物理狀態(tài)信息的方式，而不需要進行搜索。假設(shè)使用甚長碼序列以及再次使用相同序列在時間上的偏移，本發(fā)明所述的頻譜壓縮方法最小化了實現(xiàn)復雜搜索技術(shù)的需要。通過引入互相關(guān)能力，尤其在精信道上，本發(fā)明具有以下優(yōu)點改善的信噪比和訪問載波相和頻率數(shù)據(jù)，其在一些應(yīng)用(例如精度飛行器著陸系統(tǒng))中可以是期望的能力。然而，通過引入相關(guān)追蹤能力，與僅使用頻譜壓縮的實現(xiàn)相比時，顯著地增加了接收傳感器的成本，并且可能限制其使用。
導航數(shù)據(jù)處理
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明，通過使得所有SCT在相同相對間隔期間觀察所有信標，避免了高精度時間和頻率系統(tǒng)對接收元件的相位相關(guān)性。在本實施例中，F(xiàn)FT時間序列針對每一接收的信標信號產(chǎn)生一條譜線。
通過使得可觀察量區(qū)別于己知基準SCT，所有信標的特殊相位和頻率偏移在該單一區(qū)別數(shù)據(jù)處理中被共模取消，從而有利于SCT相對于基準SCT的相位和相率的單一偏移(頻率偏移)。在一個示例中，利用在基準和遠程SCT周圍幾何學分布的四個或更多個信標，可以確定相對于基準SCT物理狀態(tài)的物理狀態(tài)。
在一個備選實施例中，通過利用基準網(wǎng)絡(luò)處理器在集中基準地點處形成歷書和校正信息、或者通過每一信標相對于至少一個基準SCT的物理狀態(tài)估計，并然后在從SCT的物理狀態(tài)估計給定可觀察量期間應(yīng)用先前計算的歷書和校正信息，可以實現(xiàn)與上述方法中獲得的那些相同的結(jié)果。當歷書和校正數(shù)據(jù)的可應(yīng)用性的時間大于歷書時間和出現(xiàn)時間之間的差時(其中第二 SCT的可觀察量被收集以用于所述出現(xiàn)時間)，該方法是優(yōu)選的。可應(yīng)用性的時間隨RST和基準SCT振蕩器的穩(wěn)定性、系統(tǒng) 配置和所需系統(tǒng)的性能而變。利用分布的結(jié)構(gòu)方法，導航處理器的物理
狀態(tài)估計可以發(fā)生在SCT、 RST信標或者任意其它方便的位置內(nèi)，諸如 在控制處理器內(nèi)。
圖6圖示說明了導航處理器的實施例，其處理由SCT產(chǎn)生的可觀察 量并處理物理狀態(tài)估計。該實施例的方法包括控制反饋環(huán)，其中來自一 個出現(xiàn)時間的解決方案饋送下一個。在先狀態(tài)信息611用于初始化SCT 狀態(tài)向量601，為SCT提供物理狀態(tài)參數(shù)的最佳估計。SCT狀態(tài)向量 601優(yōu)選地也由SCT動態(tài)模型602和輸出估計狀態(tài)606初始化，所述 SCT動態(tài)模型602包含關(guān)于諸如時間和頻率偏置率的時間變化狀態(tài)參數(shù) 的信息，而所述輸出估計狀態(tài)606如穩(wěn)定的Kalman濾波器605計算的來 自先前出現(xiàn)時間(epoch)。更新的狀態(tài)向量601報告為物理狀態(tài)估計 118，其又用于初始化SCT動態(tài)模型602和RST觀察模型604。 RST觀 察模型604創(chuàng)造Kalman濾波器所需的狀態(tài)遷移項，也創(chuàng)造殘差610或者 Kalman濾波器605中濾波的觀察值和過濾值之間的差。RST觀察模型 604控制數(shù)據(jù)是否在差分意義上被處理，同時SCT可觀察量110被以基 準SCT可觀察量111差分，或者是否SCT可觀察量110通過將它們與由 基準網(wǎng)絡(luò)確定的校正因數(shù)112結(jié)合而被校正。如果由于SCT具有未受阻 天空視野而可獲得GNSS數(shù)據(jù)，處理在Kalman濾波器605中的混合近似 法中進行，同時殘差610在等同的GNSS觀察模型603中計算。在這些 實例中，SCT可觀察量110包含RST數(shù)據(jù)和GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并且SCT 可觀察量使用在GNSS觀察模型603中。
基準網(wǎng)絡(luò)
圖7圖示說明了基準網(wǎng)絡(luò)的實施例，其產(chǎn)生更新基準點(例如信標 或者GNSS衛(wèi)星)歷書和校正數(shù)據(jù)，用于其它SCT的隨后物理狀態(tài)估計 中系統(tǒng)的使用。到基準網(wǎng)絡(luò)處理的輸入是在先系統(tǒng)配置信息705，其是系 統(tǒng)的狀態(tài)的最佳概念。實際的SCT可觀察量113和歷書數(shù)據(jù)112，用于 傳播物理狀態(tài)元素。這些都優(yōu)選地用于初始化區(qū)域過程過濾器700，其確 定包括信標的位置的物理狀態(tài)，并產(chǎn)生用于給定區(qū)域內(nèi)信標的整個網(wǎng)絡(luò)的歷書和數(shù)據(jù)校正114數(shù)據(jù)。如需要最優(yōu)化系統(tǒng)的校準和管理，區(qū)域可
以被限定為一組數(shù)個RST和基準SCT位于彼此附近?；趨^(qū)域的配置和
管理增加了配置靈活性并基準網(wǎng)絡(luò)處理中的處理開銷。在區(qū)域處理過濾
器700內(nèi)，單個導航處理器105或者多個導航處理器產(chǎn)生用于所有SCT 的物理狀態(tài)估計更新。多個處理器可以在聯(lián)邦濾波意義上結(jié)合，其中多 個導航處理器105同時處理具有相交數(shù)據(jù)組的數(shù)據(jù)組。這些多個估計由 濾波器組合器702組合，其產(chǎn)生復合估計。濾波器組合器702自身可以 是Kalman或者其它狀態(tài)估計濾波器，或者基于統(tǒng)計組合處理?；鶞示W(wǎng)絡(luò) 處理器本質(zhì)上通過確定所有基準點的物理狀態(tài)，也可用于校準網(wǎng)絡(luò)，并 且在更新狀態(tài)706中報告這些。校準校正項優(yōu)選地由歷書校正格式器703 格式化并存儲在數(shù)據(jù)庫中，并可在系統(tǒng)中各處位置獲得。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過選擇性地改變RST信標的操作模 式，可以實現(xiàn)區(qū)域的校準。主要地，RST信標傳送測距信號；然而，有 時，其可中斷其傳送，因此其可使用集成基準SCT接收信號。當作為接 收器操作時，RST信標監(jiān)聽其它區(qū)域內(nèi)的傳送信標。在每個區(qū)域內(nèi)，多 信標可以周期性地監(jiān)聽星座內(nèi)的其它信標，從而產(chǎn)生附加的可觀察量， 其增加強度給基準網(wǎng)絡(luò)濾波器產(chǎn)生的估計。為了更新用于每一信標的當 前歷書狀態(tài)配置，基準網(wǎng)絡(luò)濾波器處理這些數(shù)據(jù)。用于管理信標操作模 式(傳送或者接收)的幾種方法是可能的，并且應(yīng)當平衡校準精度和整 個系統(tǒng)性能。在優(yōu)選的實施例中，應(yīng)當部署足夠的信標，從而可以同時 地校準和操作系統(tǒng)而不損害性能或要求的精度。當?shù)谝淮尾渴鹣到y(tǒng)和添 加新區(qū)域時，會需要初始校準的持續(xù)期間。在這些情況下，如果多個 RST信標從傳送到接收模式循環(huán)，可以使用校準式樣，從而可以進行多 個獨立的測量而降低系統(tǒng)誤差。 一旦校準，使用實時技術(shù)(on-the-fly technique)監(jiān)視系統(tǒng)并持續(xù)地校準，以更新振蕩器狀態(tài)系數(shù)并確認信標 的位置。監(jiān)視也提供有用的數(shù)據(jù)以確定系統(tǒng)的整體健康和精度。
物理狀態(tài)處理方法
圖8圖示說明了給予在先組歷書和校正信息和來自基準SCT可觀察 量的確定SCT物理狀態(tài)的兩種方法。在圖8A中，來自基準SCT805的可觀察量用于計算實時校正807，其在應(yīng)用時將估計的物理狀態(tài)校正為基
準SCT805的歷書所限定的實際狀態(tài)。校正向量用于計算每一 RST801、 802、 803的物理狀態(tài)校正，其然后用于校正SCT—B 804的物理狀態(tài)估 計處理。使用差分估計的替代的但等同的形式在圖8B中顯示。利用SCT —B 821產(chǎn)生的可觀察量對SCT 820產(chǎn)生的可觀察量進行微分，所述可觀 察量用于計算相對的物理狀態(tài)822。將相對物理狀態(tài)添加到SCT820的基 準物理狀態(tài)產(chǎn)生SCTB821的物理狀態(tài)。
對于忽略未建模誤差的系統(tǒng)，這兩方法本質(zhì)上是相同的；然而，當 由于每一 RST的誤差作用的共模抑制、未建模誤差顯著時，圖8B中的 差分方法會趨向于更精確。圖8A的自治方法可能更少精確，但具有更好 可量測性的優(yōu)點，因為基準SCT的可觀察量不需要由每一個物理狀態(tài)估 計處理。另外，它們可以計算一次并格式化成校正，其可容易地應(yīng)用到 隨后的處理，只要它們在可應(yīng)用的時間內(nèi)應(yīng)用。
部署配置
圖9顯示了三維定位的圖示實例，其中SCT單元通過攔截來自位于 非共面配置的RST的發(fā)射而定位。在該實施例中，基準SCT904攔截來 自RST901、 902和905的發(fā)射，所述RST901、 902和905處于相同的水 平面內(nèi)。另外，來自RST906的發(fā)射被SCT904攔截，所述RST906位于 基準SCT904以下的平面。另外，第二 SCT903攔截來自四個RST901、 902、 905和906的發(fā)射。信標并不必然處于SCT傳感器同一平面的事實 允許SCT單元903和904垂直和水平的定位，產(chǎn)生給定優(yōu)選幾何學的三 維位置。
圖10圖示說明了本發(fā)明的一種可能的部署場景，其使用本地部署的 RST以及GNSS衛(wèi)星以提供GNSS受阻和未受阻情況下的物理狀態(tài)估 計，包括三個操作環(huán)境受阻GNSS環(huán)境、半受阻GNSS環(huán)境和具有邊 緣覆蓋的未受阻GNSS環(huán)境。圖10圖示說明了無縫傳輸，其從使用 GNSS的戶外廣域方案到GNSS衛(wèi)星信號完全受阻的整個局域系統(tǒng)。雖 然為了本公開的目的簡化為2—D說明，本發(fā)明的實施例的實現(xiàn)的說明同 樣地可應(yīng)用于3—D部署。物理狀態(tài)包含兩個位置狀態(tài)參數(shù)水平位移和垂直位移。
SCT — A1007在受阻環(huán)境下操作，使用以此處前述方式從
RST1005、 1006和1008攔截的發(fā)射獲得物理狀態(tài)估計。GNSS衛(wèi)星信號 1002由結(jié)構(gòu)1013吸收或者反射，因此SCT1007處的信號水平太弱而不 能提供有用的可觀察量。為了收集存儲在數(shù)據(jù)庫(未顯示)中用于導航 處理器(未顯示)隨后使用的星座和可觀察量校正，GNSS基準接收器 1003部署在結(jié)構(gòu)1013上。
圖10中的下一情形是半受阻GNSS環(huán)境，其中SCT1009接收來自 GNSS和RST的信號。在此實例中，不充分的衛(wèi)星是可見的(僅兩個) 以獲得物理狀態(tài)估計；衛(wèi)星1001測距信號被結(jié)構(gòu)1013從視線阻擋。使 用本發(fā)明，SCT1009攔截來自用于定位的RST1006、 1008和1010以及 另外兩個可見GNSS衛(wèi)星的發(fā)射。這顯著地提高了物理狀態(tài)估計的準度 和精度。由GNSS基準接收器1003收集的衛(wèi)星星座信息提供衛(wèi)星軌道信 息，其用于使用GNSS可觀察量估計物理狀態(tài)。因此，本發(fā)明的該實施 例提供與半受阻環(huán)境下GNSS覆蓋的傳播相關(guān)的優(yōu)點。
圖10中的未受阻GNSS環(huán)境由SCT1011表示。在該實例中，GNSS 提供充分的覆蓋(此處由三顆衛(wèi)星表示，雖然可以存在另外的衛(wèi)星)以 估計物理狀態(tài)。僅單一的RST1010可見，其不足以通過其自身產(chǎn)生可用 的物理狀態(tài)估計。SCT1011從GNSS和RST收集可觀察量，并利用無線 網(wǎng)絡(luò)(未顯示)以將可觀察量處理成物理狀態(tài)估計。
本發(fā)明的備選應(yīng)用
在此部分，展示本發(fā)明的特殊應(yīng)用以說明本技術(shù)許多預(yù)期使用中的 一些。這些應(yīng)用對于本發(fā)明的優(yōu)選實施例都是可能的；它們僅說明本發(fā) 明所教導的備選方案，并且并不意在限定惟一的可能應(yīng)用。
集成條碼掃描應(yīng)用
本發(fā)明的備選實施例提供SCT通信單元與條碼掃描器的集成。當與 物體相關(guān)的條碼被掃描時，時間和位置被保持為物體被觀察的最后已知 位置和時間的記錄。對于存貨和倉庫后勤，本發(fā)明的該應(yīng)用實現(xiàn)了物品
32的3—D室內(nèi)追蹤而無利用其自有SCT通信單元實際標識該物體的花
費。位置標識條碼掃描提供了實現(xiàn)完全RFID追蹤和定位系統(tǒng)的備選方
法，其中追蹤資產(chǎn)的尺寸和/或成本不調(diào)整額外的成本。
集成無源RFID標識讀取器應(yīng)用
本發(fā)明的備選實施例提供SCT與被動RFID標識讀取器的集成。當 RFID標識讀取器檢測無源RFID標識，讀取器在該檢測時間的位置與掃 描到的RFID數(shù)據(jù)流相關(guān)聯(lián)，以提供RFID標識的大致位置。另外，通過 將關(guān)于測量標識數(shù)據(jù)的相對功率與標識讀取器的位置和姿態(tài)相組合，可 以確定RFID標識位置的進一步精確的估計。
室內(nèi)/室外后勤應(yīng)用
本發(fā)明的備選實施例提供聯(lián)合運輸中后勤、工程和建筑的優(yōu)點。這 種應(yīng)用得益于在受阻環(huán)境內(nèi)外移動的資產(chǎn)的追蹤和管理。例如，如本發(fā) 明所教導集成的Zigbee或GNSS解決方案使得該技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于在 三維定位區(qū)域中定位資產(chǎn)并與其通信。
由于其對于自配置和校準的內(nèi)在能力，本發(fā)明也尤其適合于該應(yīng) 用。和手機差不多大的SCT通信單元可以用于迅速地觀測多個點，比單 獨的經(jīng)諱技術(shù)或GNSS所可能地更快。進一步，在與激光能級相似的方 式下工作，SCT通信單元能夠確定任意建筑構(gòu)件相對于任意需要的基準 點厘米級以下的水平和垂直對齊。
對于工地后勤，相似的手機尺寸的裝置(也潛在地支持聲音)可提 供整個建筑工地上人和資產(chǎn)的實時追蹤，包括基于GNSS的解決方案不 可靠或完全不能獲得的地方。利用集成遙感勘測，系統(tǒng)成為用于工地活 動的協(xié)調(diào)和監(jiān)視的強大工具。利用對于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持，實質(zhì)上任意帶 工頭和尺寸的工地可以被容易地覆蓋并集中地管理，而無廣域解決方案 (例如GSM/GPS解決方案)的事務(wù)費用(on-going expense)。
健康護理應(yīng)用
本發(fā)明的備選實施例可以容易地在健康護理設(shè)備中應(yīng)用。例如，與Zigbee或WiFi集成的SCT通信單元可以提供病人和資產(chǎn)的實時監(jiān)控。 監(jiān)視和病人服務(wù)人員需要能力以定位在醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)生、護士和移動設(shè) 備。具有嚴重精神疾病的病人引起嚴重的挑戰(zhàn)，如果他們活動出關(guān)懷區(qū) 域(geo-fence)，并且在這種情形下會觸發(fā)警報以限制病人的進一步移 動并為工作人員的搜尋提供病人的位置。擔架上的病人也可以容易地定 位一如果他們長時間在分配區(qū)域之外(諸如應(yīng)急管理或當病人超出醫(yī)院 病床能力的情形下)，將是非常重要的。進一步，利用來自GNSS信號 的支持，當病人離開健康護理設(shè)施邊界而未經(jīng)允許或釋放時，SCT通信 單元會通知經(jīng)理。這對于老年癡呆病人尤其有用。
可選擇地，健康護理用的另一實施例可以用裝有SCT的便攜式 RFID讀取器裝備工作人員，因此通過ad-hoc (點對點)抽樣可以確定無 源標識的大致位置。在此實施例中，工作人員將通過正?；顒舆M行，其 中SCT裝備的讀取器將有規(guī)律地調(diào)查無源RFID標識，任意接收到的響 應(yīng)將被標上由本發(fā)明計算的當前時間和位置。
定位商業(yè)應(yīng)用
利用同時處理GNSS和局域RST信號的結(jié)合能力，本發(fā)明實現(xiàn)了受 阻區(qū)域內(nèi)和GNSS典型地提供服務(wù)(例如室外)區(qū)域中高精度定位商業(yè) 應(yīng)用。本發(fā)明的備選實施例是將諸如手機或其它移動裝置的消費者通信 裝置配備有SCT功能，因此可以在大型地質(zhì)區(qū)域以及在諸如商廈的局域 內(nèi)確定位置。SCT裝備的通信裝置可以用于確認個人的位置，實現(xiàn)了關(guān) 于個人的精確位置的位置相關(guān)內(nèi)容的交付。以最小的成本，本發(fā)明同時 執(zhí)行廣域定位和局域定位，產(chǎn)生GNSS單獨不能夠起作用的精度和定位 信息。不像使用GNSS/網(wǎng)絡(luò)輔助定位服務(wù)的當前定位商業(yè)應(yīng)用，本發(fā)明 的該備選實施例允許以室內(nèi)和室外米級精度精確地定位個人。進一步， 本發(fā)明可以從局域定位平衡地遷移到廣域GNSS而無覆蓋損失。例如， 如果一個商店為了定位而已部署RST信標單元陣列，緊鄰的貨物和服務(wù) 的選擇相關(guān)的信息可以被發(fā)布給具有SCT裝備的手機的個人；該信息可 以包括廣告、產(chǎn)品信息、禮券、購買統(tǒng)計和定額(rating)。進一步，在 該實施例中，裝置中已支持的通信網(wǎng)絡(luò)可以用于傳輸位置相關(guān)內(nèi)容。緊急服務(wù)應(yīng)用
在諸如沒有求生區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)的卡特里娜后的新奧爾良的情況下，具有其集成通信體系結(jié)構(gòu)的本發(fā)明可以提供第一響應(yīng)器、車輛、補給和
其它關(guān)鍵移動資產(chǎn)的遙測網(wǎng)絡(luò)和精確追蹤。在此實施例中，SCT通信單元集成有Zigbee和P25VHF以形成穩(wěn)固的局域和廣域定位和通信管理解決方案。該實施例實現(xiàn)了營救人員的實時監(jiān)視(當他們在搜索和營救期間進入建筑物時)并提供區(qū)域監(jiān)視(當在室外時)(經(jīng)由GNSS)。在無第一響應(yīng)器沒有移動的情況下，這可能表示緊急情況，警報會被觸發(fā)。
空中搜索和營救(SAR)應(yīng)用
本發(fā)明的備選實施例可以用于搜索和營救作業(yè)。在一個實例中，兩個SCT通信單元可以被部署入空中環(huán)境(自由飛行器或者一個飛行器和一個牽引設(shè)備(towed package))。每一 SCT通信單元被配置以同時地處理GNSS信號與RST測距信號。信標單元被部署在受害者所在的位置。信標單元發(fā)送RST測距信號，其可以在上方接收。在特定情形下，受害者可能會深陷于森林覆蓋的環(huán)境中、埋在雪中、或者阻礙GNSS傳感器正常使用的一些受阻環(huán)境中。
該地面部分(GS)包括這些空中平臺的一對UAV控制器和Zigbee雙向通信子系統(tǒng)，其控制空中操作并檢索來自UAV的SCT可觀察量。地面部分還具有傳統(tǒng)的GNSS接收器，其允許獲取GNSS軌道和時間。地面處理器接收Zigbee下行鏈路，確定動態(tài)SCT通信單元間基線向量分離、信標三角相(delta phase)并獲得分割的雙曲面(intersectedhyperboloid)，其給出與碎片(即雪崩或坍塌建筑物)下的受害者相關(guān)的信標的地面位置。
這些UAV可以是非常小型的模型飛機，其可考慮為可消耗資產(chǎn)，根據(jù)情況。在關(guān)注區(qū)域中飛行的最小兩個UAV足以能夠在關(guān)注的綜合區(qū)域上方飛行數(shù)秒后發(fā)現(xiàn)具有數(shù)米精度的信標。當SAR組到達如空中部分所指示的綜合區(qū)域時，如本發(fā)明所述的手持SCT型器可以在完全功率控制模式下操作，所述完全功率控制模式提供米級精度保證，用于挖掘和影響實際營救作業(yè)。
圖11圖示說明備選實施例，其中本發(fā)明用于搜索和營救作業(yè)。在此實施例中，在需要搜索或營救的情況下，RST信號發(fā)射器1104隨待追蹤
和定位的資產(chǎn)或人員定位。RST信標產(chǎn)生測距信號1101，所述測距信號1101由位于自動飛行器或其它飛行平臺的SCT上的SCT單元1102和1103攔截。利用此處前述技術(shù)，距離測量1106禾卩1107在飛行平臺1102和1103與待定位資產(chǎn)1104之間確定。UAV1102和1103也同時接收來自GNSS衛(wèi)星星座1101的數(shù)據(jù)，其可用于確定在它們攔截RST測距信號1101時的自主定位。與觀察SCT的定位相結(jié)合的每一距離測量產(chǎn)生發(fā)射器的可能位置的雙曲線脫離軌跡弧。例如，如果從GNSS數(shù)據(jù)1101已知UAV1102的位置，且UAV1102和發(fā)射器1104之間確定距離1106，可以說發(fā)射器位于位置1108的雙曲線脫離軌跡弧上。第二個該弧1109的同時觀察可以用于確定在這些弧1108禾Q 1109的兩個可能交點之一上的發(fā)射器1104的位置。在搜索和營救操作中，這兩個交點中的一個可基本廢除為平面外，和定位的資產(chǎn)。
海事站保持和緊迫導航(close-quarters navigation)
本發(fā)明的備選實施例涉及海上和靠近水閘期間的拖船和駁船索引作業(yè)。信標允許在拖船、水閘入口和駁船上多點處的相穩(wěn)定GNSS傳感器。
拖船將提供信標基準信號(可能在2.4GHz ISM頻帶)以相鎖定駁船GNSS傳感器。拖船還具有915MHz ISM頻帶接收器以接收來自水閘的初始基準信號(如果其可獲得)。水閘還具有由水閘基準源驅(qū)動的GNSS接收器，所述水閘基準源按照需要向拖船和其它船只廣播。使用同樣的岸上基準振蕩器還獲得GNSS傳感器數(shù)據(jù)。915MHz的水閘基準信號將用于相鎖定駁船上的多個GNSS傳感器，并且然后2.4GHz的拖船基準信標，其相鎖定駁船上的多個GNSS傳感器。如果拖船在915MHz岸上水閘基準信號的范圍以外，拖船內(nèi)部基準是相鎖定駁船上GNSS傳感器的陣列的源。來自岸上、駁船和拖船的所有GNSS傳感器信號在拖船處被收集和處理。該相相干陣列被實時地、精度高于30cm且在WGS84
36基于地心地固坐標系中處理。船上拖船、位置和速度態(tài)勢感知信息可以在拖船的網(wǎng)橋控制處獲得。低成本的體系結(jié)構(gòu)允許通過其它方式不可實現(xiàn)的可承受的系統(tǒng)的形成。
在軌操作一具有繞軌飛行的子衛(wèi)星的母衛(wèi)星
本發(fā)明的備選實施例涉及子衛(wèi)星的空間中的相對定位，該子衛(wèi)星與
處于GNSS信號不可獲得的高度的另一母衛(wèi)星同軌道。小型微功率信標位于已知機會的位置處的母衛(wèi)星上。這些已知的信標位置形成用于定位副衛(wèi)星的基準框架。所有這些信標相對于母衛(wèi)星內(nèi)部時間和頻率基準源被時間同步和相位相干。子衛(wèi)星在母衛(wèi)星附近移動?？捎^察量是來自到達子衛(wèi)星的不同信標信號的相位距離?？捎^察量被鏈接回母衛(wèi)星用于處理。為了估計母衛(wèi)星的3D位置和同步子衛(wèi)星時間基準源，需要四個或更多可觀察量?；谀?子之間的距離間隔，由于子衛(wèi)星將趨于把這些多個信標視為大約二十倍于母衛(wèi)星上信標之間的最大間隔的距離處的點源，GDOP參數(shù)將成為重要因素。對于母衛(wèi)星處五米最大信標間隔，及子衛(wèi)星處幾毫米范圍測量精度，子衛(wèi)星相對于母衛(wèi)星的3D位置可以被估計，且精度為對于這些衛(wèi)星之間的100m間隔大約20cm。
低成本3D 土地測量系統(tǒng)
本發(fā)明的備選實施例可以用于低成本土地測量系統(tǒng)。共用的信標用于使所有GNSS傳感器相位鎖定，所述所有GNSS傳感器使它們的SCT數(shù)據(jù)交叉耦合到中央處理器。中央處理器具有衛(wèi)星軌道和GNSS時間。偽距和載波相位數(shù)據(jù)類型提供公里級操作的毫米精度。由于多路徑污染產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差將成為該方法的限制的誤差源、并可由特定GNSS天線減弱。在典型地涉及局域結(jié)構(gòu)的短基線上，來自對流層和電離層的大氣誤差將成為共模自消除誤差。相對于當前可獲得的儀器，測量系統(tǒng)設(shè)計可以減少多儀器系統(tǒng)成本達70%到90%。
用于船載水平螺旋槳飛行器的精度起飛/著陸
本發(fā)明的備選實施例可以用于在船載環(huán)境中操作的螺旋槳飛行器的起飛和著陸期間的定位。傳統(tǒng)的基于GPS的追蹤系統(tǒng)包括用于這種應(yīng)用
的明顯限制，因為傳統(tǒng)的GPS接收器不能解碼50bps導航數(shù)據(jù)流，且因為來自其它船載導航和通信系統(tǒng)的干擾的潛在性。通過將RST信號布置在船上和SCT接收器布置在飛行器上，本發(fā)明的技術(shù)減輕了這些擔心。系統(tǒng)和方法不需要數(shù)據(jù)流的解碼以確定用于操作的信標位置，且操作頻率可以調(diào)整以最小化與其它系統(tǒng)的干擾。另外，本發(fā)明的迅速更新率解決了船只和飛行器的相對動態(tài)。
增強的GNSS飛行器精密進近
本發(fā)明的備選實施例可以用于增強飛行器的精密進近和著陸操作。本地RST網(wǎng)絡(luò)位于起降跑道的跑道周圍。機載SCT恢復信標數(shù)據(jù)并利用該數(shù)據(jù)以增強來自GNSS或其它裝置的定位。該數(shù)據(jù)可以通過組合的方法處理，并且由于RST頻率是可調(diào)整的，RST信標系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)之間沒有干擾。該應(yīng)用可以用于陸基飛行器起降跑道，和船上應(yīng)用，諸如來自航空母艦的戰(zhàn)斗機部署。利用RST信標和SCT接收器可獲得的高更新率解決了這種飛行器的極端動態(tài)。
本發(fā)明的又一備選實施例為飛行器提供迅速的部署和防御能力，而不依賴GNSS信號。該實施例將起作用而不依賴于可獲得以支持空中操作的GNSS信號。起降跑道處的基準SCT提供RST信標校準數(shù)據(jù)，其上行鏈路至飛行器。飛行器接收地基信標和基準現(xiàn)場校準數(shù)據(jù)并處理來自環(huán)繞起降跑道的數(shù)個信標的飛行器相對于地基系統(tǒng)的位置和速度的估計。在該配置中，每一飛行器具有其自身的導航處理器并保持在發(fā)射靜默模式。
系統(tǒng)水平定位精度將被RST信標位置校準限制在大約10cm。由于這些RST信標將趨向于同平面，精度的水平稀釋(HDOP)將在附近單元是好的；然而，飛行器的垂直DOP將在10到20的因數(shù)的域內(nèi)。由于系統(tǒng)具有數(shù)厘米的高精度，當飛行器靠近飛機跑道時，飛行器垂直精度估計為在高度的廣域上在一米內(nèi)。飛機外一個或多個RST信標的布置及剩下的信標將增進垂直估計的精度。作為備份，當飛行器到大約5米的高度時，利用聲模式SCT和低概率檢測可以啟動聲RST，所述聲模式SCT能提供數(shù)厘米的高度準度，所述低概率檢測將允許飛行器閃光以用于落地。
飛行器也能夠攜帶三個信標接收器以提供姿態(tài)確定能力。這些姿態(tài)接收器天線將位于飛行器的下側(cè)，可能在每一翼尖和機身的尾端。將飛行器處理器將計算來自每一信標的相差到達，并能夠確定飛行器的姿態(tài)，且精度為幾度，取決于相對于地面信標的特定飛行器幾何形狀。
機場地面追蹤和監(jiān)視系統(tǒng)
本發(fā)明的備選實施例可用于機場地面追蹤和監(jiān)視系統(tǒng)。在此應(yīng)用
中，本發(fā)明將在諸如機棚的建筑物內(nèi)部、及僅GNSS導航將不可靠的受阻區(qū)域內(nèi)起作用。當已處于封閉環(huán)境達一段時間的飛行器離開機棚時，GNSS接收器需要相當多的時間開始定位。該應(yīng)用為這種接收器提供位置和時間的輔助數(shù)據(jù)，并因而增強飛機跑道侵入檢測和碰撞避免警報。進一步，該應(yīng)用實現(xiàn)了集中監(jiān)視并保護被追蹤資產(chǎn)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)。
局域位置識別
在本發(fā)明的又一備選實施例中，由RST發(fā)射的信號可以被用于通過處理由SCT捕獲的觀察到的數(shù)據(jù)及基準SCT可觀察量來識別SCT的位置，從而確定SCT是否位于SCT的預(yù)知位置。由SCT收集以確認的可觀察量包含位置(位置簽名)所特有的有用信息，所述位置可以通過經(jīng)由基準SCT觀察RST的當前狀態(tài)和位置簽名中的觀察到的誤差而識別。多個RST未同步且它們的PRN碼片相對于彼此相位不相干的事實需要RST陣列連續(xù)的校準，但又隨之帶來安全屬性，對方不能足夠好地預(yù)測各種碼相位或者碼率以實現(xiàn)次米級精度。假定被保護的基準SCT將感應(yīng)和報告RST陣列所實際發(fā)生的情況。由于這些不可預(yù)測的特征使本發(fā)明實現(xiàn)了在受阻環(huán)境中的位置識別，這是非常有用的屬性。另外地，利用本發(fā)明的處理GNSS信號的能力，它也可提供GNSS獲得的位置簽名。
設(shè)計考慮
己對優(yōu)選實施例的變形進行傳輸功率級、電池消耗、識別和信標信
39號的區(qū)別和其它特性的分析。這些在以下部分是詳細的，其單獨被提供以論證本發(fā)明的不同和備選的本實現(xiàn)。
RST信標/SCT接收器設(shè)計考慮
粗糙信道接收器自身噪聲假設(shè)為3dB噪聲系數(shù)，則低噪聲放大器將是KTB噪聲功率二 (1.38xl0_23W/Hz—K) (300 Kelvin) (2xl06Hz)二8.2x 1(T15 = —140 dBW= — 110 dBm。
考慮距離為3公里的0.1微瓦(1x10—7W)信標功率。
距離D處的信標通量，Prec=Pxmtr/(4 pi D2)， Prec= (1x10—7W) /4 pi(3000) 2 = 9xlO_16W= — 150dBW= — 120dBm。
信標信號功率二一120dBm， Post-LNA SNR二一 120— ( — 110)=—10dB
延遲相乘(D&M)處理器對信號&噪聲進行平方，因此SNR D&M=—20dB。
假設(shè)1.023MHz碼率的信標和1秒時間序列的SCT FFT處理器具有1.0Hz 二進制寬度(bin width)和有效過程增益，Gp = 2MHz/lHz =63dB。
整體系統(tǒng)功率SNR=63dB—20dB=43dB或者22dBV或者22dBV振幅SNR二140: 1。
FFT相位噪聲估計是電壓SNR的倒數(shù)，因此相位噪聲二7xl0-s弧度=0.4度=1毫周波(milli-cycle)
1.023 MHz的PRN碼率、293米波長的信標。1毫周波精度將提供30cm粗糙信道相位測距精度。
現(xiàn)在考慮精確信道接收器自身噪聲假設(shè)3dB噪聲系數(shù)低噪聲放大器將是KTB噪聲功率=(1.38xl(T23W/Hz-K )( 300Kelvin )(20xl06Hz) =82xl0_15 = — 130dBW= —畫dBm。
考慮3km處的0.1微瓦(lxlO—7W)信標功率。
距離D處的信標通量，Prec-P扁tr/ (4 pi D勺，Prec= (lxlO^W) /
4 pi (3000) 2 = 9xlO_16W= —150dBW= —120dBm。
信標信號功率二一120dBm。 Post-LNA SNR二一120— (一100) 二—20dB。
延遲相乘(D&M)處理器平方信號&噪聲，因此SNR D&M=—楊B。
假設(shè)具有10.23MHz碼片頻率的信標和具有1秒時間序列的SCTFFT處理器具有l(wèi).OHz 二進制寬度(bid width)和有效的過程增益，Gp=20MHz/lHz=73dB。
整體系統(tǒng)功率SNR二73dB—40dB二33dB或者16.5dBV振幅SNR二
50: 1。
FFT相位噪聲估計是電壓SNR的倒數(shù)，因此相位噪聲二2xl0—2弧度二1.2度二3.2毫周波。
信標具有10.23MHz的PRN碼率、29.3m的波長。3.2毫周波精度將提供9cm精確信道相位測距精度。
電池功率要求
信標功率要求將由數(shù)字電路控制，而非傳輸?shù)姆浅５偷?.1微瓦信標功率。信標將需要呈現(xiàn)1.8V邏輯的大約40mW?？紤]1500mA小時能力的3.3V鋰一錳電池，其電壓在50小時或大約兩天降至1.5V。如果在室外情形，功率源也可以是具有太陽能充電的電池，或者從傳統(tǒng)建筑物功率供能，并具有電池備用以提供用于連續(xù)的操作。
信標識別
信標識別將從額定1.023MHz粗糙信道碼率偏離其頻率，同時信標之間具有5Hz間距偏離的倍數(shù)。因此，對于100個信標，處理器將具有1.023MHz十/一250Hz的總檢索間隔。 一旦特殊信標碼率被識別，處理器將訪問寄存器數(shù)據(jù)庫以確定識別標簽分配給什么人或資產(chǎn)。
相似地對于精確信道，信標識別將從額定10.23MHz精確信道碼率偏離其頻率，同時信標之間具有50Hz間距偏離的倍數(shù)。因而，對于一百個信標，處理器將具有10.23MHz+/-2500Hz的總檢索間隔。一旦特殊信標碼率被識別，處理器將訪問寄存器數(shù)據(jù)庫以確定識別的信標已分配給什么人或資產(chǎn)。ISM頻帶實現(xiàn)
在備選實施例中，描述RF實現(xiàn)，其中每一信標傳送直接序列擴頻 信號的多相相干信道。例如，為實現(xiàn)在接收器裝置是先驗位置的限定環(huán) 境中定位已知在500米內(nèi)，存在碼率為1.023kHz (波長為3km)的信 道。利用位置傳感器，其實現(xiàn)頻譜壓縮延遲相乘操作和產(chǎn)生的振幅信號 到20: 1的噪聲比，相位噪聲將為0.05弧度或2.8度或7.9毫周波或者 24米。
利用SNR為20和碼率為1.023MHz的第二信道，相位測距精度為 2.4米。利用SNR為20和碼率為10.23MHz的第三信道，相位測距精度 為24cm。利用SNR為20和碼率為102.3MHz的第四信道，相位測距精 度為2cm。
估計的20SNR是非常適度的，且有效的IOOSNR會更合理。在該更
高信號情況下，10.23MHz碼率信道將產(chǎn)生5cm精度。利用U.S.規(guī)則，
ISM頻帶是
5725 —5875MHz (150MHz中心頻率5800MHz)
2400—2500MHz (lOOMHz中心頻率2450MHz)
902 — 928MHz在區(qū)域2中(26MHz中心頻率915MHz)
信標位置可以通過WSG84坐標系統(tǒng)表達，以維持與GNSS —致的
參照系。因而，產(chǎn)生的物理狀態(tài)估計將表達GNSS框架中的位置，好像
它們對于GNSS衛(wèi)星具有清晰的視線。
對于廣大區(qū)域中定位的應(yīng)用
在備選實施例中，應(yīng)用參照100米x100米限定的區(qū)域(10000平方 米，110000平方英尺)。位置傳感器能夠離開信標的最大水平距離為大 約141米?？紤]攔截相位測量精度為3cm的頻譜壓縮系統(tǒng)的設(shè)計。利用 10.23MHz的最大碼率，存在29.3m波長。3cm精度要求0.1%周波(0.36 度)相位測量精度或者6.3毫弧度。6毫弧度相位精度要求FFT振幅 SNR為160或44dB信號功率。對于本發(fā)明的遠程通信考慮
在備選實施例中，會描述各種測試情況。
測試情況ISTAC2002無碼GNSS陸地測量器
接收器自身噪聲假設(shè)1.5dB噪聲系數(shù)低噪聲放大器將是KTB噪聲功 率=(1.38x10 —23W/Hz-K) (120Kelvin) (2xl06Hz) =3.3xlO_15 =— 145dBW= —115dBm。
GPS C/A信道信號功率二一 130dBm。 Post —LNA SNR= —130 — (—115) = —15dB。
延遲相乘處理器平方信號&噪聲因此SNRD&M二一30dB。
具有40秒時間序列的FFT處理器具有0.025Hz 二進制寬度，有效 過程增益，Gp=2MHz/0.025Hz=79dB。
整個系統(tǒng)SNR二79—30=49dB或者25dBV振幅SNR=316: 1，按 照ISTAC 2002陸地測量器產(chǎn)品的實際C/A信道性能。
倉庫環(huán)境下的遠近降級(Near-FarDegradation)
在備選實施例中，會描述倉庫環(huán)境下的遠近降級。 在最近處，1納瓦信標可以在遠程接收器的10m內(nèi)。
距離D處的信標通量，Prec = Pxmtr/ (4piD2) ， Pree= (1x10—9W) /4
pi (10) 2=8xl(T13W= — 121dBW=—91dBm。
141米處的信標將呈現(xiàn)一114dBm，同時信標10米遠的信標將呈現(xiàn) —91dBm。因而，遠近問題是一91dBm減去一114的絕對值23dB。利用 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換，接收器將具有72dB的動態(tài)范圍，并允許49dB的余量以 容納會偏移噪聲本底的其它相對高功率頻帶內(nèi)信號。
接收器的簡明性
對于信標使用擴頻的優(yōu)點是發(fā)散最小量的功率，減少可能由電池供 能以操作達長時間期間的信標對DC功率的需要。擴頻利用提供對強頻 帶內(nèi)信號的高水平抗擾度，所述強頻帶內(nèi)信號否則會對傳統(tǒng)信號發(fā)送模 態(tài)產(chǎn)生實質(zhì)干擾。普惠系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和方法
對于配置環(huán)境中物理狀態(tài)估計的該系統(tǒng)和相關(guān)方法的各種實施例的 先前討論顯示了對于大量應(yīng)用的廣泛可適用性。以上披露和教導的系統(tǒng) 和方法可以在普惠體系結(jié)構(gòu)的以下說明中概括，所述普惠體系結(jié)構(gòu)將系 統(tǒng)精簡到其標準形式，基本包括發(fā)射器、執(zhí)行頻譜壓縮的攔截器和物理 狀態(tài)估計器，并覆蓋絕大多數(shù)可能的實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)。該形式也教導通 過合適的設(shè)計和構(gòu)造，本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以容易地調(diào)整以支持大頻 譜的應(yīng)用、配置和環(huán)境。
圖12圖示說明了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的標準形式，詳細描述了系統(tǒng)
基本元件之間的基本關(guān)系。至少一個或更多個發(fā)射器1201已為系統(tǒng)所 知，其發(fā)射通過傳輸介質(zhì)1206傳播的能量。這些發(fā)射被至少一個攔截器 1202攔截并由頻譜壓縮器1205執(zhí)行的頻譜壓縮的至少一種方法處理。來 自至少一個攔截器的合成的可觀察量1207由某通信裝置通信到物理狀態(tài) 估計器1203。配置數(shù)據(jù)1208和可觀察量1207由物理狀態(tài)估計器處理以 確定至少一個發(fā)射器1202和攔截器1202之間的相對物理狀態(tài)估計器 1209的一個或更多個成員。來自多個發(fā)射器的可觀察量1207可用于相對 物理狀態(tài)的多成員的同時估計，其可包括X， Y和/或Z軸中的位置，關(guān) 于某軸線的方向、時鐘偏置和潛在任何時間導數(shù)。
確定絕對物理狀態(tài)估計1209需要指定至少一個發(fā)射器或者攔截器作 為基準點，其具有在相對物理狀態(tài)估計之前己知的其物理狀態(tài)的某方 面。絕對物理狀態(tài)1209的確定是相對物理狀態(tài)附加到由基準點限定的先 驗物理狀態(tài)。
限定在配置數(shù)據(jù)1208內(nèi)的一個或更多個基準點可以共同地處理以形 成用于定位和計時信息的本地基準系。優(yōu)選地，所有物理狀態(tài)估計1209 在該基準系內(nèi)報告。進一步，基準點可以將1210和1211與配置數(shù)據(jù) 1208內(nèi)的坐標系可靠基準1204相關(guān)聯(lián)。盡管這些關(guān)聯(lián)，內(nèi)部基準系中確 定的估計可以轉(zhuǎn)化為外部基準系。
例如，在室內(nèi)應(yīng)用中，多個信標(例如發(fā)射器1201)首先被校準， 使得配置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)校準數(shù)據(jù)的組合使信標能夠建立為位置傳感器(例 如攔截器1202)的物理狀態(tài)估計的基準點。然后，在外部WGS — 84基
44準系中確定這些基準點的位置。這可以利用支持GNSS測距信號發(fā)射的 接收的位置傳感器通過調(diào)查或通過直接測量以多種方式實現(xiàn)。利用這些 外部可靠基準的確定，可以指定變換矩陣，其從內(nèi)部基準系轉(zhuǎn)換為外部 基準系。在優(yōu)選的實施例中，與外部可靠點相關(guān)聯(lián)的三個非線性對應(yīng)的 基準點用于建立三維轉(zhuǎn)換。 一旦其實現(xiàn)，位置傳感器的物理狀態(tài)的最終 估計可以在外部基準系中報告。內(nèi)部和外部時間范圍中的時間歷書
(epoch)、諸如通用坐標時間(UTC)的報告可以相對于外部時間范圍
的基準點時間以相同方式實現(xiàn)。
一些發(fā)射器可以為系統(tǒng)已知，但不由系統(tǒng)控制和外部考慮。GPS衛(wèi) 星、類星射電源、通信衛(wèi)星、電視臺和自動信標均是基準點的實例，其 存在由系統(tǒng)已知和監(jiān)視而不由系統(tǒng)控制。
在限定系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的標準形式的相同方法中，相關(guān)標準形式被確 定為用于配置環(huán)境中的物理狀態(tài)確定的方法。圖13A顯示了使用頻譜壓 縮的配置環(huán)境中物理狀態(tài)確定的通用方法。以1301開始，至少一個發(fā)射 器發(fā)射寬帶能量1305到傳播介質(zhì)。這些發(fā)射由至少一個攔截器在1302 處攔截和處理，這產(chǎn)生可觀察量1306。處理1302應(yīng)用至少一種頻譜壓縮 的方法。在1303處對來自至少一個攔截器的可觀察量1306進行處理， 以確定至少一個發(fā)射器和攔截器之間的估計的相對物理狀態(tài)1307。在 1304處報告這些估計的相對物理狀態(tài)，產(chǎn)生外部消耗的物理狀態(tài)1308的 報告。報告的物理狀態(tài)也可用于更新1310系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)1308，提供響應(yīng) 于各種攔截器和發(fā)射器的狀態(tài)的變化而校準和調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作的方式。如 由配置數(shù)據(jù)所指定的，物理狀態(tài)1308可以或者在內(nèi)部限定基準系中相對 于基準點報告，或者在由外部提供的轉(zhuǎn)換矩陣確定的外部基準系中。
利用該方法，可以得出所有變體，并且因而其用于進一步解釋本發(fā) 明的所有實施例中工作的基本過程。該通用方法的重要益處在于該過程 被確定，而與實現(xiàn)無關(guān)。處理元件1302、 1303和1304之間的物理位置 和通信之間的約束僅是方法所具體化的系統(tǒng)的邏輯體系結(jié)構(gòu)的功能。處 理的不同物理布置可以按需要提供某些優(yōu)化。如此前所述，處理塊 1302、 1303和1304通常在物理上被布置為最小化通信帶寬，并減小對位 置傳感器的功率要求。圖13B更詳細地圖示說明了圖13A的攔截和處理元件1302。寬帶 能量發(fā)射1305在1311處被攔截，導致由某非線性操作1312操作的攔截 的寬帶發(fā)射1314，從而產(chǎn)生窄帶數(shù)據(jù)1315，所述窄帶數(shù)據(jù)1315包含執(zhí) 行物理狀態(tài)估計所需要的變化物理特性。在1313處執(zhí)行進一步的處理， 其提取這些有用的變化物理特性。這產(chǎn)生至少一個歷書的攔截器的可觀 察量1306?？捎^察量可以包含攔截器與至少一個發(fā)射器之間的變化物理 特性中的至少一個或更多個。對于頻譜壓縮，這些最經(jīng)常表現(xiàn)為針對每 一攔截的寬帶發(fā)射和針對每一應(yīng)用的非線性方法的實例的頻率、振幅和 相位。每一不同的非線性操作實現(xiàn)形成信道，可以在1306中觀察對于所 述信道的多寬帶攔截。對于攔截器的1312中的攔截的寬帶發(fā)射1314的 特定非線性操作可以包括但不限于平方，其中1314自身相乘；延遲相 乘，其中1314乘以自身的延遲樣本，且延遲的量由寬帶能量發(fā)射的已知 或認為的物理特征之一 (例如調(diào)制CDMA PRN擴展函數(shù)的碼率)確定； 帶寬合成，其中1314在兩個不同寬帶的特定帶寬和頻率偏移中采樣，以 便當相乘時，它們產(chǎn)生單一合成的窄帶數(shù)據(jù)，其中頻率偏移、帶寬是寬 帶能量發(fā)射的物理特性的函數(shù)；微分，其中1314自微分產(chǎn)生大約第一導 數(shù)；和抽選，其中減小1314采樣率，以產(chǎn)生作為寬帶能量發(fā)射的一小部 分的窄帶輸出。對于微分，附加導數(shù)可以通過進一步對1314的先前導數(shù) 進行微分而產(chǎn)生。對于抽樣，抽樣的輸出可以利用混疊或下變頻或低通 濾波，以將窄帶數(shù)據(jù)限制到包含需要的物理特性的關(guān)注頻帶。
圖13C顯示了圖13B中窄帶數(shù)據(jù)處理元件1313的一個實施例。窄 帶數(shù)據(jù)1315由快速傅立葉變換(FFT)運算，產(chǎn)生1315的頻率空間轉(zhuǎn)換 (振幅、頻率和相位)。然后由峰值檢波器處理這些數(shù)據(jù)，所述峰值檢 波器優(yōu)選地提取滿足配置數(shù)據(jù)1309所指定的某些需求的峰值的振幅、頻 率和相位。典型地，選擇滿足某些閾值(例如5個振幅的信噪比)和頻 率范圍(例如必須在一10和50Hz之間)。將每一信道所選的峰值進行 分組，以形成可觀察量1306，其包含針對至少一個歷書的頻率、振幅和 相位值。
圖13D顯示了圖13B中窄帶數(shù)據(jù)處理元件1313的備選實施例。窄 帶1315由至少一個或更多個相位追蹤環(huán)1322處理，所述相位追蹤環(huán)1322被配置為追蹤對應(yīng)于包含在窄帶數(shù)據(jù)內(nèi)的期望頻率的信號。每一追
蹤環(huán)1322輸出頻率、相位和信噪比的估計，其一起形成一組用于至少一 個歷書的可觀察量1306。各種類型的相位追蹤環(huán)可以根據(jù)特殊應(yīng)用的需 要而實現(xiàn)。經(jīng)常，追蹤環(huán)將實現(xiàn)有某種比率輔助能力，實現(xiàn)能夠增加積 分時間的非常窄檢測后帶寬，從而產(chǎn)生更好的信噪比和測量精度。
圖13E顯示了圖13B中窄帶數(shù)據(jù)處理元件1313的另一備選實施 例。在1331中選擇來自至少兩個攔截器的窄帶數(shù)據(jù)1315，以形成來自第 一攔截器的窄帶數(shù)據(jù)1335和來自第二攔截器的窄帶數(shù)據(jù)1336。窄帶數(shù)據(jù) 1336在時間上關(guān)于1335延遲一定量，所述一定量由配置數(shù)據(jù)和/或發(fā)射 器、第一攔截器和第二攔截器指定。然后，將產(chǎn)生的窄帶數(shù)據(jù)進行互相 關(guān)，以產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)1337，其表示作為時間的函數(shù)的最大和最小相關(guān) 值。然后通過1334來處理這些數(shù)據(jù)，以檢測最大相關(guān)峰值，從而提取第 一和第二攔截器之間的變化物理特性。1334可以通過多種方式實現(xiàn)，但 最常用的方法是采用延遲鎖定環(huán)或者與圖13C中相似的FFT/相關(guān)峰值檢 測。在1334中產(chǎn)生的可觀察量典型地是頻率、相位和信噪比。
盡管已圖示說明和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，如上提到的，在不 背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可做出許多變化。因此，本發(fā)明的范 圍并不受到優(yōu)選實施例的公開的限制。相反，本發(fā)明應(yīng)當完全參照隨后 的權(quán)利要求確定。
4權(quán)利要求
其中要求排他性所有權(quán)或特許權(quán)的本發(fā)明的實施例限定如下1. 一種用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理狀態(tài)信息的系統(tǒng)，包括至少一個發(fā)射器，在傳輸介質(zhì)中發(fā)射能量；至少一個攔截器，攔截從至少一個發(fā)射器穿過傳輸介質(zhì)傳播的能量，其中，所述攔截器被配置為使用頻譜壓縮來處理接收到的發(fā)射，以產(chǎn)生一組適用于物理狀態(tài)估計的可觀察量；以及物理狀態(tài)估計器，被配置為基于從至少一個攔截器接收到的一組可觀察量，確定攔截器與發(fā)射器之間的相對物理狀態(tài)中的至少一項；以及基于從至少一個攔截器接收到的一組可觀察量，報告相對物理狀態(tài)中的至少一項。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括自由空間、氣體和弱等離子體中的至少一個。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括固體材料。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括液體。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述攔截器被配置為同時接收結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射和非結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括具有預(yù)定一般特性的結(jié)構(gòu)化信號，所述預(yù)定一般特性可以在系統(tǒng)配置內(nèi)表示。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括定位和導航信號。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的信號。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括通信信號。10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括其一般特定為非預(yù)定的非結(jié)構(gòu)化信號。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括電磁能量。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁能量是無線電頻率或光頻帶。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括聲能。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器顯式地用于在配置環(huán)境中進行物理狀態(tài)估計的目的。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述頻譜壓縮包括從發(fā)射器中提取能量發(fā)射的至少一個已知的物理特性。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述從發(fā)射器中提取能量發(fā)射的至少一個已知的物理特性的發(fā)生與能量發(fā)射的調(diào)制信息內(nèi)容無關(guān)。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用頻譜壓縮產(chǎn)生的一組可觀察量包括以攔截到的能量在通過傳輸介質(zhì)傳播時的振幅、相位和時間導數(shù)形式的物理特性中的至少一個，而與能量發(fā)射內(nèi)調(diào)制的信息內(nèi)容的保留無關(guān)。18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述物理狀態(tài)估計器被配置為參考存儲的配置數(shù)據(jù)；以及在基于從攔截器接收到的一組可觀察量確定攔截器與發(fā)射器之間的相對物理狀態(tài)中的至少一項中，使用所參考的存儲的配置數(shù)據(jù)。19. 一種用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理狀態(tài)信息的方法，包括從至少一個發(fā)射器通過傳播介質(zhì)發(fā)射能量；在至少一個攔截器處攔截能量發(fā)射；使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量；接收屬于發(fā)射器和攔截器中的至少一個在配置環(huán)境內(nèi)的部署和配置的配置數(shù)據(jù)；基于一組可觀察量和配置數(shù)據(jù)，確定攔截器與發(fā)射器之間的相對物理狀態(tài)中的至少一項；以及報告相對物理狀態(tài)中的至少一項。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的一組可觀察量適用于進行物理狀態(tài)估計。21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的一組可觀察量用于確定通過傳播介質(zhì)的發(fā)射的至少一個物理特性。22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過對能量發(fā)射進行平方來恢復抑制載波的二次諧波振幅、頻率和相位，執(zhí)行使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過對包括能量發(fā)射內(nèi)時間間隔所限定的至少一個周期調(diào)制的頻率、振幅和相位在內(nèi)的特性的恢復進行延遲相乘，執(zhí)行使用頻譜壓縮來處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過在其中將能量發(fā)射內(nèi)的至少兩個調(diào)制相乘以恢復差分載波或調(diào)制子載波的頻率、振幅和頻率的相位的帶寬合成，執(zhí)行使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。25. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量使用微分來恢復限定時間間隔上的任意周期調(diào)制的頻率、振幅和相位。26. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，來自發(fā)射器的能量發(fā)射被第一和第二攔截器攔截；以及通過對由第一和第二攔截器攔截的發(fā)射進行互相關(guān)來產(chǎn)生包括第一和第二攔截器之間的振幅、相位和時間導數(shù)在內(nèi)的干涉響應(yīng)，來執(zhí)行使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，對于能量發(fā)射的至少兩個不同的頻率信道執(zhí)行互相關(guān)；以及通過對兩個干涉響應(yīng)進行差分以產(chǎn)生兩個信道之間的新的振幅、相位和時間導數(shù)，以使得相位模糊間隔由信道間頻率分離確定，來進行處理。28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過根據(jù)第一攔截器與第二攔截器之間的物理狀態(tài)的差異、在時間上將由第一攔截器攔截的能量發(fā)射相對于由第二攔截器攔截的能量發(fā)射進行偏移，來執(zhí)行互相關(guān)。29. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用頻譜壓縮產(chǎn)生的一組可觀察量包括以接收到的能量在通過傳輸介質(zhì)傳播時的振幅、相位和時間導數(shù)形式的物理特性中的至少一個，而與能量發(fā)射內(nèi)調(diào)制的信息內(nèi)容的保留無關(guān)。30. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用一組可觀察量和配置數(shù)據(jù)確定發(fā)射器的相對物理狀態(tài)包括估計發(fā)射器和攔截器中的至少一個相對于指定基準點的物理狀態(tài)；以及使用配置數(shù)據(jù)相對于配置環(huán)境來校準基準點的物理狀態(tài)。31. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括估計發(fā)射器和攔截器中的至少一個相對于指定基準點的物理狀態(tài)；以及更新屬于發(fā)射器和攔截器中的至少一個在配置環(huán)境內(nèi)的部署和配置的配置數(shù)據(jù)。32. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在配置環(huán)境內(nèi)，發(fā)射器和攔截器中的至少一個被指定為基準點，其中基準點的物理狀態(tài)中的至少一項是預(yù)定的；以及發(fā)射器或攔截器中的至少一個被指定為物理狀態(tài)傳感器，其中相對于基準點的物理狀態(tài)來確定物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)。33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，物理狀態(tài)傳感器被指定為第二基準點；以及發(fā)射器或攔截器中的至少一個被指定為物理狀態(tài)傳感器，其中相對于第二基準點的物理狀態(tài)來確定第二物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)。34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，相對于外部基準來校準基準點的物理狀態(tài)，以使得能夠相對于外部基準系來估計物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)。35. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，多個基準點被分配到區(qū)域，使得所述區(qū)域中的所有基準點的相對物理狀態(tài)關(guān)于彼此而被校準。
1. 一種用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理狀態(tài)信息的系統(tǒng)，包括 至少一個發(fā)射器，在傳輸介質(zhì)中發(fā)射能量；至少一個攔截器，攔截從至少一個發(fā)射器穿過傳輸介質(zhì)傳播的能 量，其中，所述攔截器被配置為使用頻譜壓縮來處理接收到的發(fā)射，以 產(chǎn)生一組適用于物理狀態(tài)估計的可觀察量；以及物理狀態(tài)估計器，被配置為基于從至少一個攔截器接收到的一組可觀察量，確定攔截器與發(fā)射器之間的相對物理狀態(tài)中的至少一項；以及基于從至少一個攔截器接收到的一組可觀察量，報告相對物理 狀態(tài)中的至少一項。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括自由空間、氣體和弱等離子體中的至少一個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括固體材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳輸介質(zhì)包括液體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述攔截器被配置為同時接 收結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射和非結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括具有預(yù)定 一般特性的結(jié)構(gòu)化信號，所述預(yù)定一般特性可以在系統(tǒng)配置內(nèi)表示。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括定 位和導航信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括全 球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述結(jié)構(gòu)化能量發(fā)射包括通信信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括其一般 特定為非預(yù)定的非結(jié)構(gòu)化信號。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括電磁能
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述電磁能量是無線電頻 率或光頻帶。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述能量發(fā)射包括聲能。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射器顯式地用于在 配置環(huán)境中進行物理狀態(tài)估計的目的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述頻譜壓縮包括從發(fā)射器中提取能量發(fā)射的至少一個已知的物理特性。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述從發(fā)射器中提取能量 發(fā)射的至少一個已知的物理特性的發(fā)生與能量發(fā)射的調(diào)制信息內(nèi)容無 關(guān)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，使用頻譜壓縮產(chǎn)生的一組 可觀察量包括以攔截到的能量在通過傳輸介質(zhì)傳播時的振幅、相位和時 間導數(shù)形式的物理特性中的至少一個，而與能量發(fā)射內(nèi)調(diào)制的信息內(nèi)容 的保留無關(guān)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述物理狀態(tài)估計器被配置為參考存儲的配置數(shù)據(jù)；以及在基于從攔截器接收到的一組可觀察量確定攔截器與發(fā)射器之間的 相對物理狀態(tài)中的至少一項中，使用所參考的存儲的配置數(shù)據(jù)。
19. 一種用于在配置環(huán)境內(nèi)提供物理狀態(tài)信息的方法，包括 從至少一個發(fā)射器通過傳播介質(zhì)發(fā)射能量；在至少一個攔截器處攔截能量發(fā)射；使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的 可觀察量；接收屬于發(fā)射器和攔截器中的至少一個在配置環(huán)境內(nèi)的部署和配置 的配置數(shù)據(jù)；基于一組可觀察量和配置數(shù)據(jù)，確定攔截器與發(fā)射器之間的相對物 理狀態(tài)中的至少一項；以及報告相對物理狀態(tài)中的至少一項。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的一組可觀 察量適用于進行物理狀態(tài)估計。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的一組可觀 察量用于確定通過傳播介質(zhì)的發(fā)射的至少一個物理特性。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過對能量發(fā)射進行平方來恢復抑制載波的二次諧波振幅、頻率和相位，執(zhí)行使用頻譜壓縮處理 接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過對包括能量發(fā)射內(nèi)時 間間隔所限定的至少一個周期調(diào)制的頻率、振幅和相位在內(nèi)的特性的恢 復進行延遲相乘，執(zhí)行使用頻譜壓縮來處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生 一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過在其中將能量發(fā)射內(nèi) 的至少兩個調(diào)制相乘以恢復差分載波或調(diào)制子載波的頻率、振幅和頻率 的相位的帶寬合成，執(zhí)行使用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射，以產(chǎn)生 一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用頻譜壓縮處理接收到 的能量發(fā)射以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察量使用微分來恢復限定時 間間隔上的任意周期調(diào)制的頻率、振幅和相位。
26. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，來自發(fā)射器的能量發(fā)射被第一和第二攔截器攔截； 以及通過對由第一和第二攔截器攔截的發(fā)射進行互相關(guān)來產(chǎn)生包括第一 和第二攔截器之間的振幅、相位和時間導數(shù)在內(nèi)的干涉響應(yīng)，來執(zhí)行使 用頻譜壓縮處理接收到的能量發(fā)射以產(chǎn)生一組與發(fā)射相關(guān)聯(lián)的可觀察
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中， 對于能量發(fā)射的至少兩個不同的頻率信道執(zhí)行互相關(guān)；以及 通過對兩個干涉響應(yīng)進行差分以產(chǎn)生兩個信道之間的新的振幅、相位和時間導數(shù)，以使得相位模糊間隔由信道間頻率分離確定，來進行處理。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，通過根據(jù)第一攔截器與第 二攔截器之間的物理狀態(tài)的差異、在時間上將由第一攔截器攔截的能量 發(fā)射相對于由第二攔截器攔截的能量發(fā)射進行偏移，來執(zhí)行互相關(guān)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用頻譜壓縮產(chǎn)生的一組 可觀察量包括以接收到的能量在通過傳輸介質(zhì)傳播時的振幅、相位和時 間導數(shù)形式的物理特性中的至少一個，而與能量發(fā)射內(nèi)調(diào)制的信息內(nèi)容 的保留無關(guān)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，使用一組可觀察量和配置 數(shù)據(jù)確定發(fā)射器的相對物理狀態(tài)包括估計發(fā)射器和攔截器中的至少一個相對于指定基準點的物理狀態(tài)；以及使用配置數(shù)據(jù)相對于配置環(huán)境來校準基準點的物理狀態(tài)。
31. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括估計發(fā)射器和攔截器中的至少一個相對于指定基準點的物理狀態(tài)；以及更新屬于發(fā)射器和攔截器中的至少一個在配置環(huán)境內(nèi)的部署和配置 的配置數(shù)據(jù)。
32. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，在配置環(huán)境內(nèi)， 發(fā)射器和攔截器中的至少一個被指定為基準點，其中基準點的物理狀態(tài)中的至少一項是預(yù)定的；以及發(fā)射器或攔截器中的至少一個被指定為物理狀態(tài)傳感器，其中相對 于基準點的物理狀態(tài)來確定物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中， 物理狀態(tài)傳感器被指定為第二基準點；以及發(fā)射器或攔截器中的至少一個被指定為物理狀態(tài)傳感器，其中相對 于第二基準點的物理狀態(tài)來確定第二物理狀態(tài)傳感器的物理狀態(tài)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，相對于外部基準來校準基 準點的物理狀態(tài)，以使得能夠相對于外部基準系來估計物理狀態(tài)傳感器 的物理狀態(tài)。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中，多個基準點被分配到區(qū)域，使得所述區(qū)域中的所有基準點的相對物理狀態(tài)關(guān)于彼此而被校準。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)和方法，其用于提供在不能獲得全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號不能獲得的配置環(huán)境中的位置確定。關(guān)于此點，本地信標系統(tǒng)產(chǎn)生由頻譜壓縮單元接收的擴頻CDMA信號，所述頻譜壓縮單元取得有物理意義的可觀察量而無須通過已知擴展碼的攔截能量的相關(guān)性。本發(fā)明可與已就位的已知資產(chǎn)同時存在，并且設(shè)計允許自校準，這簡化了安裝和使用。本發(fā)明可用于GNSS信號不能獲得或受限的應(yīng)用，例如倉庫庫存管理、在搜索和營救操作和室內(nèi)環(huán)境中的資產(chǎn)追蹤中。
文檔編號G01S19/23GK101479622SQ200780024129
公開日2009年7月8日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者皮特·F·馬克多蘭, 肯·L·戈登, 邁克爾·B·馬修斯 申請人:盧克卓尼克斯有限公司