建立网络定位系统(NPS)的方法和设备

1.一种建立定位单元设备网络的方法，该方法包括步骤：
a)每个定位单元设备接收定位信号；
b)每个定位单元设备从所述定位信号确定其位置；和
c)每个定位单元设备发送一个表示它的所述确定的位置的定位 信号；
其特征在于：
每个定位单元设备根据从其它各定位单元设备和全球导航卫星系 统卫星接收的各定位信号的任何组合中的至少四个组合确定其位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个定位单元设备脉冲调节所 述被发送的定位信号的传输。
3.如权利要求1所述的方法，其中由一些所述定位单元设备发送 的所述定位信号是双频的。
4.如权利要求3所述的方法，其中一些所述定位单元设备能够接 收所述双频信号。
5.如权利要求4所述的方法，其中能够接收所述双频信号的所述 定位单元设备利用所述双频信号来解决载波相位整数周期模糊性。
6.如权利要求1所述的方法，其中每个定位单元设备根据从其它 各定位单元设备接收的各定位信号得出差动校正数据。
7.如权利要求1所述的方法，其中每个定位单元设备发送的所述 定位信号还包括网络数据。
8.如权利要求7所述的方法，其中所有定位单元设备与经由所述 网络数据分配的全球导航卫星系统时间彼此同步。
9.如权利要求1所述的方法，其中所有定位单元设备通过对从一 个全球导航卫星系统接收的信号进行定位，与所述全球导航卫星系统 同步。
10.一种定位单元设备，包括：
a)用于接收定位信号并根据定位信号确定其位置的接收装置；
b)用于发送一个表示它的所述确定的位置的定位信号的发送装 置；
其特征在于：
所述接收装置根据从其它各定位单元设备和全球导航卫星系统卫 星接收的各定位信号的任何组合中的至少四个组合确定其位置。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述发送装置还包括脉冲地 调节所述定位信号的传送的装置。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述发送装置还包括双频发 送所述定位信号的装置。
13.如权利要求10所述的设备，其中所述接收装置还包括三频接 收所述定位信号的装置。
14.如权利要求10所述的设备，还包括用于根据从其它各定位单 元设备接收的各定位信号得出差动校正数据的装置。
15.如权利要求10所述的设备，其中每个定位单元设备发送的所 述定位信号还包括网络数据，所述定位单元设备还包括用于控制网络 数据的装置。
16.如权利要求10所述的设备，还包括：
a)用于根据能观测到的至少四个卫星信号和/或定位单元设备传输 确定位置和GPS时间的装置；
b)用于传送所述位置和GPS时间的装置；
使得所述被传送的位置信号由能观测到的任何其它定位单元设备 用作一个直接测距信号源。

本发明一般涉及定位系统，其中未知位置上的目标或用户从多个 信源接收信号并使用从其中提取的信息确定该目标或用户的当前位 置。更具体地说，本发明涉及一种定位系统，它使用与全球导航卫星 系统(GNSS)同步的自集成定位单元设备在卫星被遮蔽的情况下进行 高精确度的位置确定。\n精确定位某人或某物在地球表面上所处位置的需要经常吸引着人 类。实际上，可得出位置的精确度和可预测性是评价文明技术进步的 标准。随着时间的流逝，通过六分仪和天文钟、惯性系统、LORAN、 TRANSIT和最新GPS的不断发展，人类已经改进了陆地定位和导航。\n由美国政府建立的24个卫星的GPS星历广播与星载原子时钟同 步的精确定时信号。使用精确完善的公式，同时从三个或者更多卫星 接收信号的用户接收机可以确定他在绝对全球坐标中的位置，即经度 和纬度。已经证明GPS对于位置确定是有利的，因为它是全球可用的， 相当精确，并且对于终端用户是免费的。\n尽管技术的完善性，GPS依然受到几种严格的限制使它不能在用 户级别上被广泛地使用。首先，GPS信号强度要求卫星相对于接收机 是“看得见的”。这意味着在卫星和接收机之间不可以存在物质障碍。 其次，GPS准则要求至少看得见三个卫星以确定一个二维位置(即经 度和纬度)，和至少看得见四个卫星以确定一个三维位置(即经度、纬 度和高度)。这两个主要缺点共同导致在诸如“市区”的多建筑物区域 内GPS可靠性严重降低，并且显然在所有建筑物内部或在屏蔽环境中 标准GPS将不起作用。因此，在大部分世界人口居住的大城市环境中 GPS的使用是很有限的。\n令人惊讶的是GPS进一步的用户限制来源于它的全球可用性和它 的高精确度潜力。在它原先的形式中，GPS具有提供大约15米精确 度的能力。美国政府开始关注由于敌人武器有效负荷的精确发送，他 们自己的卫星系统可能被用于反对美国的可能性。因此，民用GPS网 络的信号广播相对于更高的精确度的加密美国军方信号被故意地降 低。通常称作选择可用性(SA)的这种降低将可以被民用的原始精确 度降低到大约100米2dRMS。\n在克服SA的一种努力中，为局部区域内的民间用户开发了一种 称作差动GPS(DGPS)的系统。DGPS能够向移动用户提供几米的 精确度。然而，DGPS要求建立昂贵的本地广播站。移动用户还必须 购买无线电接收机形式的额外设备以获取对他们的GPS接收机的 DGPS校正。称作实时运动(Real Time Kine manic(RTK))的最新 发展允许从GPS系统的精确度被提高大约一厘米。同时，这种精确度 对于多种可能应用是非常有用的，RTK几乎遍布高技术学科，例如大 地测量学、地质勘查和物理学。RTK接收机比标准GPS接收机贵得 多。RTK系统要求非常规的本地发射机，并且在可以确定RTK精确 位置之前根据复杂度可能需要花费10个小时获取静止信号。RTK所 需的费用等级和所需要的专用设备和技术严重地影响RTK被消费者使 用或者商用。\n总之，GPS使现代定位和导航的需要受益非浅。然而，GPS最好 在旷野、沙漠或远洋化境中使用。在市区它是绝对无用的，并且从未 将它设计在室内使用。而且，如果在多建筑区域内最好获得足够的GPS 信号，结果位置的解决方法也因为SA被显著地减低以致于可以证明 在限制的区域内几乎无法使用。如果这种情况下的用户希望通过DGPS 或RTK方法提高精确度，仅可以通过相当大的努力、昂贵和相对复杂 的基础设施来实现。\n在现有技术中描述了克服这些困难的尝试。已经开发了一种结合 绝对定位系统(例如GPS)和相对定位系统的混合系统。这种方法包 括当卫星被遮蔽时结合“推算定位”的惯性传感器系统(美国专利US 5,311,195)或者当卫星被遮蔽时执行“δ相位定位”的商业无线电广 播传输(美国专利US 5,774,829)。\n不幸的是，这些现有技术具有多个缺点。推算定位显示了扩展使 用的累积误差，并且推算定位和δ相位定位的精确度受初始绝对定位 精确度的限制。因此，所有初始位置的不精确性将通过随后的定位解 决方法延续。δ相位位置的精确度将受原先存在的商业无线电广播传 输站的几何结构限制。如由粗纱(Roving)接收机所看见的较差几何 结构将产生差的定位结果。另外，δ相位定位的精确度受传输信号频 率/波长的限制，由此较低频率(即较长波长)产生较低的精确度。而 且，δ相位粗纱接收机需要商用无线电广播传输站坐标的现有知识。 最后，δ定位除了商用无线电广播传输之外还需要标准接收机和数据 链路。美国专利US 5,774,829将该数据链路作为信息放置在商用无线 电广播传输信号SCA信道上。这实际上将需要数以千计的商用广播站 合作，产生实质的后勤问题。\n还知道在现有技术中试图使用伪卫星或者“preudolites”增强或 增加标准GPS星历。伪卫星是发射类似GPS信号的地面发射机。伪 卫星由美国国防部为了Phase I GPS测试在亚利桑那州尤马试验场于 1977年首先使用。它们被用于在有足够的导航卫星之前增加测试用户 设备用的GPS星历。在1984年，Klein和Parkinson首先指出伪卫星 对于操作GPS系统、改善导航可用性和诸如航空等要求严格的应用可 以是一个有用的助手。在1986年，Parkinson和Fitzgibbon开发和论 证了用于为测距伪卫星发现最佳位置的程序。同样在1986年，开发第 一个本地DGPS系统标准的RTCM-104委员会推荐了一种通过伪卫星 发射DGPS信息的方法。\n伪卫星当前是昂贵的设备并且产量极小。它们通常在GPS L1和 L2频率上发射它们的信号，所以它们一般需要管理批准以便操作。因 此，大学、政府机构、军方和大型公司中的实验组通常使用伪卫星。 因此这些设备虽然已经被公知了很长一段时间，在普通定位和导航中 它们很少被使用。该现有技术反映了伪卫星有限的可用性。\n几个企业已经使用伪卫星增强局域GPS信号。伪卫星设备的航空 应用的典型例子是美国专利US 5,572,218，它描述了一种将伪卫星放 在飞机进场航路下方跑道终点上的伪卫星。这成功地允许极快的整数 循环模糊分解，生成非常精确的定位。美国专利US 5,375,059代表类 似Caterpillar的公司如何将伪卫星应用于露天采矿，这是这些设备的 多种典型应用中的一种。这些系统使用本领域公知的常规本地伪卫星/ 基准站。\n美国专利US 5,686924“带有固定伪卫星基准发射机的本地定位导 航系统”和美国专利US 5,708,440“用于未授权频率的伪卫星译码器” (都授权给了Trimble等人)共同表述了本地GPS信号的增加。这个 本地系统没有对伪卫星/基准站的一体化进行明确的规定，因此，缺少 用于精确位置确定的时间相干性的基本必要条件。\n一种现有技术的参考是在室内具体生成GPS信号。美国专利US 5,815,114(Speasl等人)描述了一种在完全屏蔽环境下定位的伪卫星 系统。这个系统使用由计算机处理单元生成的信号。这些信号通过同 轴电缆被分配到建筑物内一个区域中的四个伪卫星。这个本地区域系 统要求极其复杂和大型的设备，并且完全屏蔽GNSS星历以确保原始 和再生信号不冲突。\n所有这些现有技术的引用公开了在本地、封闭系统中使用的基本 伪卫星系统。\n尚没有现有技术公开一种方法或设备并提供技术，它(a)允许将 地面定位单元设备网络无缝集成到GNSS系统中，和(b)允许定位 单元设备在完全没有限制的区域上完全无终止的传播。\n在多建筑物区域中高精确度定位业务的需要快速地增长。手持用 户设备的增加和位置相关信息的需要揭示了对可使用、集成和完整解 决方案的需要。在手持式应用中，精确度被降低的SA标准GPS不令 人满意；米级精确度或者更佳是必要的。十分需要一种在不必需使用 不同定位技术的情况下允许从室外到室内无缝过渡的系统。同样，非 常需要一种将传播自身然后允许在室内和室外继续扩展的系统。而且， 与类似GPS的世界标准系统的集成将以方便可用和标准化组件的形式 给系统带来协作优势，简化制造和公知技术的使用。同样非常需要将 以用户级别的价格将这些益处提供给公众而不需要专家对基础设备提 供帮助的一种系统。现有技术并不符合所说的所有这些需要。\n因此，本发明的目的是克服上述GPS定位的缺点，并提供使用完 全新颖的方法补充、增强和扩展GPS型技术的一种系统。\n因此，本发明的一个目的是改善位置定位系统。\n本发明的另一个目的是增加基于GNSS的位置定位系统可用的情 况数量。\n本发明的又一个目的是公开一种可以在无限制区域上被传播的地 面定位单元设备的开放结构网络。\n本发明的又一个目的是在整个地面定位网络中使用类似GNSS的 信号。\n本发明进一步的目的是提供一种创建和传播地面定位网络的方 法。\n本发明的另一个目的是提供一种可以与GNSS星历无缝集成的定 位单元设备的网络。\n本发明的另一个目的是提供一种可以与GNSS星历同步的定位单 元设备的网络。\n本发明进一步的目的是提供一种定位网络，它允许从基于GNSS 的位置到基于网络的位置无缝过渡，或者根据每个位置系统的任意一 个分配得到一个位置。\n本发明的又一个目的是提供一种定位网络，它允许使用调谐到每 个定位系统的粗纱设备，从基于GNSS的位置到基于网络的位置无缝 过渡，或者根据每个位置系统的任意一个分配得到一个位置。\n本发明的又一个目的是提供一种可以在市区环境下增加GNSS位 置系统的定位单元设备网络。\n本发明的又一个目的是提供一种定位单元设备网络，可以将GNSS 型绝对定位延伸到卫星被遮蔽的区域、大楼和其它建筑内以及其它常 规GNSS先前不起作用的其它环境中。\n本发明进一步的目的是公开一种定位单元设备，可以自测量和自 集成到GNSS星历和/或定位单元设备的当前网络中，从而在卫星被遮 蔽或室内环境下提供绝对和相对位置。\n本发明的另外一个目的是提供用于初始化和维持定位单元设备间 的通信，从而允许在定位设备间传送网络信息的协议。\n本发明的又一目的是每个定位单元设备包括一个标准接收机以提 供整个网络中的分布式差动校正。\n本发明的另外一个目的是提供整个网络中的实时动态定位，从而 提供厘米精确度。\n本发明的又一个目的是为GNSS卫星和网络定位系统(NPS)定 位单元单元设备提供伪测距和载波相位测量，从而提供米和厘米定位 精确度。\n本发明的又一个目的是提供双频伪卫星传输，允许在由定位单元 设备增强的环境下单个初相载波相位整数模糊分解。\n本发明进一步的目的是提供三频接收机以接收GNSS信号和两个 附加伪卫星信号。\n本发明的另一个目的是用于定位单元设备接收WASS差动校正以 在无网络差动校正可用时提供差动校正。\n本发明的另外一个目的是提供一种定位单元设备，结合当前的 GNSS技术以维持系统间的完全兼容性。\n本发明的又一个目的是提供一种定位单元设备网络，该定位单元 设备可以由非技术人员传播，从而避免了昂贵基础设施的需要和专门 技术的需要。\n本发明提供一种建立定位单元设备网络的方法，该方法包括步骤：每个定位 单元设备接收定位信号；每个定位单元设备从所述定位信号确定其位置；和每个 定位单元设备发送一个表示它的所述确定的位置的定位信号；其特征在于：每个 定位单元设备根据从其它各定位单元设备和全球导航卫星系统卫星接收的各定 位信号的任何组合中的至少四个组合确定其位置。\n本发明提供一种定位单元设备，包括：用于接收定位信号并根据 定位信号确定其位置的接收装置；和用于发送一个表示它的所述确定 的位置的定位信号的发送装置；其特征在于：每个接收装置根据从其它各定位 单元设备和全球导航卫星系统卫星接收的各定位信号的任何组合中的至少四 个组合确定其位置。\n图1图示现有技术全球定位系统(GPS)；\n图2图示现有技术差动全球定位系统(DGPS)；\n图3图示结合差动校正伪卫星发射机的现有技术差动全球定位系 统(DGPS)；\n图4图示根据本发明结合直接测距定位单元设备的网络定位系统 的一种实施例；\n图5图示根据本发明结合差动校正定位单元设备的网络定位系统 的优选实施例；\n图6图示定位单元设备被遮蔽环境下根据本发明的网络定位系统 的另一种实施例；\n图7是表示根据本发明的网络定位单元设备的一种实施例的整体 结构的方框图；\n图8图示在卫星被遮蔽环境下根据本发明的网络定位系统的另一 种实施例。\n为了完整地理解本发明和唯一地组合现有知识以提供新颖的和意 外结果的方法，熟悉下述定位基本原理是重要的。\nGPS基本原理概述\n参考图1，图示多个GPS卫星101，每个卫星广播一个定位信号 102。每个定位信号通过使用每个GPS卫星101上的原子时钟标准精 确定时，并且为了时间的完整性由地面控制部分监视。根据定位信号 102从这些GPS卫星101中的至少四个卫星到未知位置103的传播时 间可以计算出邻近地球的任何一点的经度、纬度和高度。所测量的距 离被称为伪距离，因为卫星101上的定时时钟和GPS接收机103中的 定时时钟之间存在时间差或者偏移。对于至少四个卫星的三维位置确 定一般需要求解四个未知数，即时间偏移和三维(x，y，z)位置。\nGPS接收机测量的GPS时间受六个主要误差源的影响，即(1) 选择可用性；(2)电离层延时；(3)对流层延时；(4)星历误差；(5) 卫星时钟误差；(6)多径。选择可用性是美国国防部为了国家安全对 GPS卫星定时和位置精确度的故意降低。电离层延时是电磁波通过电 离层的电离粒子同心层时经历的可变时间延迟。对流层延时是电磁波 通过低层大气层中的湿气时经历的时间延迟。星历误差是实际卫星位 置和通过卫星轨道数据预测的位置之间的差值。卫星时钟误差是实际 卫星GPS时钟和通过卫星数据预测的时钟之间的差值。多径是靠近 GPS接收机的本地信号反射导致的信号延时。美国国防部为自治GPS 规定的误差预算是100米2dRMS。如果需要更高的位置精确度，可以 使用一种称作“局域差动GPS”的技术。\n局域差动GPS(LADGPS)基本原理概述\n包括多径和接收机噪声的所有GPS误差是“空间相关的”，即所 有误差之和与彼此靠近的接收机是一致的。局域差动GPS(LADGPS) 将GPS卫星信号中的空间相关误差降低到可以忽略的程度。\n现在参考图2，图示了每个卫星广播一个定位信号102的多个GPS 卫星201、局域差动GPS(LADGPS)基准接收机204、射频数据链 路205和GPS接收机203。安装在已知位置上的LADGPS基准接收 机204为它所检测的每个卫星信号计算一个假定伪距离。然后，它测 量从GPS卫星201接收到的伪距离，并从所接收的伪距离中减去假定 的伪距离，形成一个差动校正。然后，LADGPS基准站204将这些校 正作为数字数据通过射频数据链路205发射给GPS接收机203。GPS 接收机203在计算位置结果之前将这些校正加上它为同一卫星测量的 伪距离。通过这个过程完全消除基准接收机204和GPS接收机203之 间的共同误差。\n伪卫星可以通过与卫星相同的方式被合并到LADGPS结果中。现 在参考图3，图示每个卫星广播一个定位信号302的多个GPS卫星 301、局域差动GPS(LADGPS)基准站304、射频数据链路305、GPS 接收机303和同样广播一个定位信号307的伪卫星发射机306。当伪 卫星发射机被合并到LADGPS系统中时，基准接收机304同步地测量 伪卫星伪距离传输307，并将合并伪卫星时钟误差的伪距离校正信息 通过射频数据链路305发送给GPS接收机303。\nLADGPS校正将GPS位置精确度改善到几米。如果需要更高的 精确度，可以使用一种称作“载波相差GPS”(CDGPS)的技术。\n载波相差GPS(CDGPS)基本原理概述\n载波相差GPS(CDGPS)使用在基准接收机和用户接收机上测量 的载波相位之间的差值计算基准位置和用户位置之间的差值。\n再次参考图3，图示每个卫星广播一个定位信号302的多个GPS 卫星301、载波相位差动GPS(CDGPS)基准站304、射频数据链路 305、GPS接收机303和同样广播定位信号307的伪卫星发射机306。 安装在已知位置上的CDGPS参考接收机304为看得见的所有卫星301 和所有伪卫星306计算瞬间相位测量。然后，来自基准接收机304的 载波相位数据被通过射频数据链路305广播给GPS接收机303。GPS 接收机303同样为看得见的所有卫星301和伪卫星306计算瞬间相位 测量，然后计算相位差以确定GPS接收机303相对于基准接收机位置 304的位置。\n用户接收机可以测量载波的部分相位加上任意数量的完整周期， 但是不能直接确定伪距离中完整周期的实际数量。被称作“整数周期 模糊性”的这个数量必须通过其它装置确定。用于求解载波相位整数 模糊性的传统策略属于三种主要分类：搜索法、滤除法和几何法。这 些传统方法并不产生瞬时整数周期模糊性判决。\n已经开发了一种称作“宽发射带(wide-laning)”的最新技术以克 服非瞬时整数周期模糊性的问题。宽发射带相乘和滤波两个载波频率 (传统上是GPS L1和L2)以形成一个拍频信号。这个拍频波长明显 比两个单独载波要长。因此，通过使用伪距离观察以确定由拍频信号 形成的更宽“发射带(lanes)”的整数模糊性可以确定整数值。这又 明显降低了必须搜索以解决整数模糊性的整数量。\n使用解决整数周期模糊性的CDGPS技术能够产生实时的厘米精 确度。\n如在此使用的，术语“位置”包括其范围的经度、纬度和高度， 并且术语“定位单元设备”包括在其范围内的固定和移动设备。\n在优选实施例中，定位单元设备包括用于在所有“可视”定位单 元设备之间通信的发射和接收装置，用于执行绝对和/或相对位置计算 的处理装置和用于控制网络数据责任的控制装置。\n因为移动定位单元设备使用与固定定位单元设备相同的原理操作 并结合到网络中，如果需要，移动定位单元设备也可以被用作动态信 标。因此，移动定位单元设备可以将与之邻近的其它移动定位单元设 备的定位信号结合到它自己的距离计算中以增加位置精确性。在优选 实施例中，不需要移动定位单元设备发射任何定位信号。\n根据本发明，使用与全球导航卫星系统(GNSS)所提供信号同步 的定位单元设备传输网络执行定位单元设备的绝对和相对位置的确 定。尽管参考包括全球定位系统(GPS)的GNSS讨论在此所述的优 选实施例，在不脱离本发明范围的情况下也可以使用其它GNSS或绝 对位置系统。\n本发明在当前GPS的技术被遮蔽无法看见的位置上具有特殊的但 非排它性的应用。这些环境包括中心商业区“市区”和室内环境。\n在优选实施例中，一个定位单元设备使用码分(CDMA)和时分 (TDMA)复用以允许将大量定位单元设备集成到网络中，同时维持 单一的发射/接收频率。\n定位单元设备通过首先监听GPS卫星和/或网络中其它定位单元 设备的信号，然后根据所接收的定位信号执行距离的计算以确定它自 己的位置。这个初始的接收周期也允许定位单元设备确定它自己的传 输周期可用的空闲时隙和编码。\n一旦选择了一个时隙和码隙，定位单元设备开始在它所选择的时 隙和码隙中传输它的定位信号。如果在某一区域中的工作定位单元设 备数量超过可用的CDMA码隙和TDMA时隙数，则一个想进入网络 的符合条件的定位单元设备将继续监听信号直到一个码隙或时隙变得 可用。因此，该系统提供自动的定位单元设备冗余度。\n定位单元设备发射机被脉冲地调节以(a)遵守网络的时分多址 (TDMA)要求；(b)允许处于同一位置上接收机从其它信号源接收 相同发射频率上的测距信号；和(c)缓解公知的与CDMA扩频技术 相关的远/近问题。\n现在参考图4，图示一个直接测距绝对定位网络。直接测距定位 单元设备402使接收机403和同位置脉冲发射机404相结合。接收机 403能够从看得见的所有GPS卫星401接收定位信号406和从看得见 的所有定位单元设备发射机404接收定位信号405。接收机403根据 至少四个卫星信号406和/或定位单元设备传输405确定位置和GPS 时间，并从它的同位置脉冲发射机404发射这个位置和GPS时间信息。 然后，这个所发射的定位信号可以由看得见的任何其它定位单元设备 用作直接测距信号源。所有的定位单元设备使他们的传输直接与GPS 时间同步，从而建立一个直接测距绝对定位网络。然而，直接测距网 络精确度受GPS合成时钟精确度的限制。美国国防部对自治GPS的 误差预算是100米2dRMS或340纳秒(时间的95％)。为了从直接测 距绝对定位网络获得更高的精确度，需要时钟修整技术。发射机时钟 必需稳定在每天几纳秒的范围内以达到这些误差的平均数。这是当前 要求的原子时钟标准，它昂贵而且十分复杂。在没有这个原子时间修 整直接测距网络的情况下将具有与自治GPS相同的精确度，在100米 2dRMS的量级上。\n虽然可以使用原子时间标准，优选实施例的一个目的是允许大规 模制造和消费者级别地介入到网络。因此，优选实施例结合了绝对定 位网络的差动校正以提供所要求的精确度的提高。\n现在参考图5，图示一个差动校正定位网络。差动校正定位单元 设备502将基准接收机503和同位置脉冲发射机504相结合。基准接 收机503能够从看得见的所有GPS卫星501接收定位信号506和从看 得见的所有定位单元设备发射机504接收定位信号505。基准接收机503 根据至少四个卫星信号506和/或定位单元设备传输505确定位置和 GPS时间，并从它的同位置脉冲发射机504将这个位置和GPS时间 信息和实时LADGPS校正507一起发射。这建立了一个分布式 LADGPS基准接收机网络。\n通过在绝对定位网络上重复LADGPS校正，精确度被增加到几 米。相对于在任意给定时间上在使用的LADGPS基准接收机的位置和 时钟确定对于用户位置的差动校正。重要的是，在基准接收机上不需 要精确的时钟信息。这是因为已知的基准接收机位置是四维的。即， 它包括一个本地时间校正。对于所有伪距离校正的任意一致定时误差 将仅影响用户接收机的时钟。假设用户仅关心接收机位置，这个时钟 校正因此变成任意的。\n每个定位单元设备从看得见的所有定位单元设备接收LADGPS校 正。因此，一个定位单元设备可以同时使用十二个或更多的LADGPS 校正。当在计算任一位置结果时，定位单元设备必须仅使用来自一个 LADGPS信号源的校正。在提供最终的平均LADGPS位置结果之前， 通过根据所有的看得见的LADGPS信号源计算位置结果，定位单元设 备可以进一步提高其位置的完整性。\n定位单元设备也可以根据任意其它的预定选择标准加权LADGPS 选择，例如：(a)基准接收机接近性，即基准接收机离用户设备越近， 多径空间校正的可能性越高，微分解中ε误差的影响越小；(b)基准 接收机几何结构，即本地定位单元设备的好的几何结构提供更精确的 LADGPS校正；(c)可观察到的信号源的相互关系，即基准接收机必 须看到与用户设备相同的一组卫星和/或伪卫星(可观察到的)；(d) 信号强度/数据完整性，即为了最小误差校正必须以高信噪比接收数 据。\n与伪测距精确度特别有关的是多径，尤其在室内环境下。这个误 差源可能产生几十米的伪测距的不精确性。然而，当使用载波相位方 法时可以将多径的影响显著地降低到厘米量级。为了高精确度位置确 定和消除伪测距多径影响定位单元设备最好使用载波相位测量。\n载波相差GPS(CDGPS)测量受整数周期不确定性的影响，因此 需要一种方法来解决这个问题。双频宽发射带是高多径环境下对不确 定性的最佳解决方案。可以在单个初相上确定整数，此后可以继续确 定，从而进行无关紧要的周期滑移。\n再次参考图5，图示一个载波相位差校正网络。校正载波相位差 的定位单元设备502将基准接收机503和同位置双频脉冲发射机504 结合在一起。基准接收机能够从看得见的所有GPS卫星501接收定位 信号506和从所有看得见的定位单元设备发射机接收定位信号505。 基准接收机503根据看得见的至少四个GPS信号506和/或定位单元 传输505确定位置和GPS时间，并从它的同位置双频脉冲发射机504 将这个位置和GPS时间信息与实时LADGPS和CDGPS测量507一 起发射。这建立了一个分布式LADGPS/CDGPS基准接收机网络。\n通过在网络定位系统(NPS)环境下使用CDGPS解决方案，位 置精确度被增加到几厘米。公知技术“双差分化”被用于消除时钟误 差。\n通信协议\n自集成网络定位系统(NPS)的发展要求定位单元设备之间专用 的通信协议。每个定位单元设备将CDMA Gold编码用于GPS卫星和 定位单元设备的捕获和识别。GPS设计规范将Gold编码1至32用于 卫星，将Gold编码33至37用于伪卫星。GPS规范还进一步将Gold 编码分配给诸如WAAS和EGNOS的其它系统。为了将定位单元设备 集成到标准GPS系统中，定位单元设备最好使用尚未被标准GPS系 统分配的Gold编码。为每个定位单元设备动态地选择Gold编码以确 保在看得见的网络中每个定位单元设备具有唯一的标识。\n定位单元设备被要求在这个网络传递相关的GPS和NPS信息。\n被传送的GPS组成部分是：(a)GPS时间，用于同步和从GPS 星历直接测距；和(b)GPS日历数据，用于在卫星遮蔽环境下将定 位单元设备维持在“天空准备就绪”状态。\n被传送的NPS组成部分是：(a)NPS时间，用于同步GPS和NPS 时间，包括所有NPS和GPS时钟校正；(b)被表示为以地球为中心 的地球固定(ECEF)位置坐标的定位单元设备位置；(c)NPS LADGPS/CDGPS数据；和(d)NPS动态日历数据(DAD)。\n动态日历数据被要求用于网络传播完整性。参考图6，几个定位 单元设备602位于需要NPS创建和传播的区域内。第一定位单元设备 602-3被建筑物603从第二定位单元设备602-2遮蔽。然而，第三定位 单元设备602-3可以从第一定位单元设备602-1和第二定位单元设备 602-2接收数据。如果第一定位单元设备602-1开始在CDMA Gold编 码33上传输(假设)，并且第二定位单元设备602-2也选择开始在CDMA Gold编码33上的传输，这可能导致潜在的CDMA冲突。然后，第三 定位单元设备602-3将在同一CDMA Gold编码上接收两个定位单元 设备。这个潜在的问题可以通过使用“动态日历数据”(DAD)消除。\n在常规GPS系统中，每个卫星传送已经从GPS控制部分下载的 相同日历数据。这个日历数据描述了用于整个当前GPS星历的所有卫 星轨道参数和识别号。\nNPS系统使用对于每个定位单元设备唯一的动态日历。由每个定 位单元设备生成的动态日历数据描述：(a)定位单元设备自身的位置 和TDMA时隙和/或CDMA Gold编码数，和(b)用于看得见的所有 其它定位单元设备的TDMA时隙和/或CDMA Gold编码数和位置数 据。要求集成到网络中的定位单元设备将询问来自看得见的所有定位 单元设备的动态日历数据以确定一个合适的TDMA时隙和/或CDMA Gold编码数以发射。这个DAD协议将防止TDMA时隙和/或CDMA Gold编码冲突。\n动态日历数据还可以包括其它信息，例如用于快速卫星和定位单 元设备获取的定位单元设备多普勒效应信息，以及用于NPS快速搜索 功能的唯一用户标识。\n假设足够的NPS带宽用于通信目的，定位单元设备可以在整个NPS 发送唯一的用户数据。这个数据可以包括诸如唯一用户ID、位置、时 间的信息和诸如“现在请派一个出租车给我”的命令功能。信息可以 被发送给中心网关业务，在此基于位置的用户请求被接收和处理。在 上面的例子中，出租车公司将发出一个响应，确认该预约并给出出租 车到达的预计等待时间。在不需要中心网关业务的情况下信息也可以 通过NPS发送。当在网络中查找其它定位单元设备时，这个信息可以 包括诸如“发现”命令的功能。\n优选信号和硬件结构\n定位单元设备维持与现有GPS技术的兼容性是非常有利的。这保 证了现有GPS硬件的最大应用，同时使定位单元设备的制造和小型化 的成本最小。NPS通过结合下列基本要素保持与现有GPS结构的紧密 联系，这些基本要素例如：(a)正弦直接序列扩频传输；(b)1023比 特的双相移键控伪随机“Gold编码”；(c)1.023MHz的码片速率；(d) 双相移键控导航消息；(e)标准自相关技术和相关器硬件；(f)用于 L1接收的标准射频接收机设计；(g)标准GPS控制器和存储器设计。\n然而，原始GPS基础设备未被设计以集成地面定位系统。为了NPS 将GPS基本技术扩展到整个地面定位网络，增强基本GPS要素，在 优选实施例中，如下：(i)用于定位单元设备接收和发送的频率偏移， 这也便于使用宽发射带整数模糊解决技术；(ii)增加用于定位单元设 备接收的接收机动态范围；(iii)增加用于导航和附加通信消息的数据 带宽；(iv)使用附加的码分多址(CDMA)Gold编码；(v)用于定 位单元设备集成和传播的通信协议。\n参考图7，图示上述定位单元设备701的最佳硬件实施例，包括 三频基准接收机702和双频脉冲伪卫星发射机703。三频基准接收机702 能够从L1(1575.42MHz)上的所有GPS卫星704和两个预定伪卫星 频率705上的所有定位单元设备脉冲伪卫星接收近似/捕获(C/A)伪 随机编码，最佳但不仅限于2.4GHz的工业、商业和医务(ISM)频 带。三频基准接收机702通过数据链路707将定位数据发送给同位置 脉冲伪卫星发射机703。所计算的位置还被存储在非易失性存储器中 以便进一步参考。\n定位单元设备脉冲伪卫星发射机703包括一个双频二相移相键控 (BPSK)发射机，能够传输码片速率为1.023MHz的两个离散1023 比特C/A编码，最好在2.4GHz ISM频带内。每个频率706具有在每 个C/A编码上BPSK调制的1000bps的导航消息。如前所述，为了 最佳兼容性，NPS信号结构的优选实施例保持与GPS信号结构的密切 相关。标准GPS导航数据以50bps的速率发送。为了提高通信带宽， 最佳NPS实施例使用每载波1000bps的带宽。这允许使用每个伪卫 星2000bps的数据链路。而且，四相移相键控(QPSK)或数据压缩 技术可以在其它实施例中使用以进一步扩展通信带宽。\n优选实施例定位单元设备伪卫星发射两个频率用于使用宽发射带 整数模糊解决技术。这些频率在从1575.42MHz的GPS L1频率偏移 的ISM频带内被发送。这确保定位单元设备传输并不干扰L1上的标 准GPS信号。在ISM频带内发射的另一个优点是定位单元设备可以 在没有专门管理批准的情况下使用，\n优选定位单元设备能够解调来自GPS卫星的标准GPS每秒50比 特(bps)的导航消息、来自定位单元设备伪卫星的1000bps导航消 息和来自广域扩张系统(WAAS)卫星的250bps导航消息。这允许 定位单元设备使用可以从所有信号源获得的数据，提供可能的最精确 和无缝集成。\n因为固定定位单元设备并不限制于专门的位置需要。将可以把定 位单元设备制造在一个外壳内，例如将其直接插到墙上的电源插座中。 假设已经存在一个可用的有限网络，一旦被插入，定位单元设备将自 动集成到网络中。\n网络初始化\n在此参考图5，第一定位单元设备502-1包括基准接收机503-1和 同位置定位单元设备脉冲伪卫星504-1，自己测量GPS星历501和确 定一个平均位置。定位单元设备也可以被放置在一个精确的已知位置 上。随后，第一定位单元设备的基准接收机503-1为看得见的所有GPS 信号506和它的同位置脉冲伪卫星发射机504-1确定LADGPS/CDGPS 测量。然后在导航消息中从同位置脉冲伪卫星发射机504-1发射平均 位置和LADGPS/CDGPS测量。\n第二定位单元设备502-2被放置在第一定位单元设备502-1的范 围内。第二定位单元设备的基准接收机503-2接收GPS卫星信号506 和来自第一定位单元设备脉冲伪卫星发射机504-1的信号。第二定位 单元设备502-2使用第一定位单元设备的502-1 LADGPS/CDGPS测 量值507和距离信号以确定一个精确的位置。随后，第二定位单元设 备502-2为看得见的所有GPS卫星501和定位单元设备502确定 LADGPS/CDGPS测量。然后在导航消息中从同位置脉冲伪卫星发射 机504-2发射位置和LADGPS/CDGPS测量。\n第三定位单元设备502-3被放置在第一定位单元设备502-1和第 二定位单元设备502-2的范围内，并以和第一定位单元设备501-1和 第二定位单元设备502-2相同的方式确定位置。现在，第三定位单元 设备502-3具有两组用于选择的LADGPS/CDGPS测量。\n第四定位单元设备502-4被放置在第一定位单元设备502-1、第二 定位单元设备502-2和第三定位单元设备502-3的范围内。现在，以 与前三个定位单元设备相同的方式确定第四定位单元设备502-4的位 置。第四定位单元设备502-4具有三组用于选择的LADGPS/CDGPS 测量。\n已初始化的至少四个定位单元设备，网络可以在不需要“看得见 天空”的情况下开始扩展和传播。从这个时候起，在四个GPS卫星或 定位单元设备的任意组合范围内的任意定位单元设备可以确定其位置 并继续传播NPS。\n现在参考图8。使用审慎放置和工作中的四个或更多的定位单元 设备802-1、802-2、802-3、802-4，可以在诸如“市区”和在建筑物 804内的卫星被遮蔽的环境下接收测距信号。这允许被从所有GPS卫 星信号806遮蔽的定位单元设备803依然看得见至少四个定位单元设 备802-1、802-2、802-3、802-4，具有确定其位置的能力。定位单元 设备信号的穿透性可以被限制在建筑物804内。然而，一旦室内定位 单元设备803具有一个位置结果，其它的定位单元设备能够自集成和 从这个设备803传播，将NPS延伸到室内环境中。这允许定位单元设 备的“类似网(web-like)”结构的发展。这种网络的类似网结构确 保NPS获取诸如良好的几何结构、高信号强度、为测距更好的可观察 性、瞬间模糊性分解等优点，所有这些导致极高的精确度。\n好的几何形状对于位置的精确确定和随后定位单元设备的成功传 播是至关重要的。使用称作“几何精度因子”(GDOP)的无单元终端 测量几何结构。最好通过在高GDOP情况下禁止定位单元设备传播来 严格地控制几何传播误差。而且最好初始化阈值以便不使用具有过高 GDOP值的定位单元设备。\n网络结构的例子\nNPS的优选实施例允许单个定位单元用户设备根据周围环境状况 通过多种不同方式确定其位置。\n定位单元用户设备可以被用作一个自治GPS接收机，能够根据至 少三个GPS卫星信号测距。这将产生大约100米2dRMS的位置精确 度。\n定位单元用户设备能够根据至少两个GPS信号测距，并根据 WAAS差动校正卫星测距，生成几米的差动位置精确度。\n定位单元用户设备能够根据至少两个GPS卫星信号测距，和根据 一个其它的固定定位单元设备测距。固定定位单元设备提供另一个测 距信号源，并且还为米级位置精确度提供LADGPS校正。如果可以解 决初始整数模糊性，单个固定定位单元设备也可以提供CDGPS校正。 这可以通过常规卫星或移动定位单元设备几何结构变化来实现。\n定位单元用户设备能够根据多个GPS卫星信号测距，并根据多个 固定定位单元设备测距，例如在市区内。这种情况提供具有优良几何 结构的丰富测距信号源。使用五个双频定位单元设备，可以执行单个 初相(single-epoch)宽发射带载波相位整数模糊性判决，从而提供厘 米的精确度。\n定位单元用户设备能够仅根据多个固定定位单元设备测距。这出 现在卫星被遮蔽的情况下，例如在建筑物内。使用五个双频定位单元 设备，可以执行单个初相宽发射带载波相位整数模糊性判决，从而提 供厘米的精确度。\n可选实施例\n定位单元设备可以包括诸如原子时钟的精确时间标准以允许自治 绝对定位。在这个实施例中，定位单元设备时钟将需要被监视，并执 行时间转换以维持网络时间完整性。\n定位单元设备可以在成对方式的基础上通信，从而允许相对定位 出现在设备之间。这个相对定位技术可以被扩展到一个定位单元设备 网络，允许建立相对定位单元设备的类似网结构。\n移动定位单元设备可以被配置为仅接收的设备，在这种情况下， 为了三维位置确定，移动定位单元设备至少需要看得见四个其它发射 定位单元设备。\n将理解虽然已经通过本发明的说明性例子给出上述说明，对于本 领域的普通技术人员来说，所有这些和其它修改和变化将落入在此所 述的本发明的广阔范围内。