Настоящее изобретение относится к системе и способу для обеспечения определения местоположения в конфигурированной среде, в которой сигналы глобальной спутниковой навигационной системы недоступны. В этом отношении системы локальных радиомаяков формируют сигналы CDMA с расширенным спектром, которые принимаются модулями сжатия по спектру, которые выводят физически значимые наблюдения без требования корреляции перехваченной энергии посредством известных кодов расширения. Изобретение может сосуществовать со средствами связи, уже имеющимися на месте, и эта конструкция допускает самокалибровку, что упрощает инсталляцию и использование. Изобретение находит применение в приложениях, в которых сигналы GNSS являются недоступными или ограниченными, например в управлении складом, в поисковых и спасательных операциях и при отслеживании активов в средах внутри помещений.

[0001] Система для обеспечения информации о физическом состоянии, содержащая

[0002] Система по п.1, в которой среда передачи состоит по меньшей мере из одного из:свободного пространства, газа и обедненной плазмы.

[0003] Система по п.1, в которой среда передачи состоит из твердого материала.

[0004] Система по п.1, в которой среда передачи состоит из жидкости.

[0005] Система по п.1, в которой перехватчик сконфигурирован для одновременного приема как конфигурированных, так и внешних излучений энергии, и перехватчик сконфигурирован для обработки принятых внешних излучений энергии по меньшей мере от одного внешнего излучателя, используя сжатие по спектру, используя нелинейную операцию для формирования набора измеримых величин, подходящих для оценки физического состояния.

[0006] Система по п.5, в которой внешнее излучение энергии содержит структурированный сигнал, имеющий заранее определенные общие характеристики, которые могут быть представлены в пределах конфигурации системы.

[0007] Система по п.6, в которой структурированное излучение энергии содержит по меньшей мере одно из определения местоположения и сигнала навигации.

[0008] Система по п.7, в которой структурированное излучение энергии содержит сигнал в пределах Глобальной Спутниковой Навигационной Системы.

[0009] Система по п.6, в которой структурированное излучение энергии содержит коммуникационный сигнал.

[0010] Система по п.1, в которой излучение энергии содержит электромагнитную энергию.

[0011] Система по п.10, в которой электромагнитная энергия находится в радиочастотном или оптическом диапазонах.

[0012] Система по п.1, в которой излучение энергии содержит акустическую энергию.

[0013] Система по п.1, в которой набор измеримых величин, полученных с использованием сжатия по спектру, включает в себя по меньшей мере одну из физических характеристик в форме амплитуды, фазы и временных производных перехваченной энергии, когда она распространяется через среду передачи безотносительно к сохранению информационного контента, модулированного в пределах излучений энергии.

[0014] Система по п.1, в которой блок оценки физического состояния сконфигурирован так, чтобы обращаться к сохраненным данным конфигурации и использовать сохраненные данные конфигурации, к которым было обращение, в определении по меньшей мере одного элемента относительного физического состояния между перехватчиком и излучателем на основании набора измеримых величин, принятого от перехватчика.

[0015] Система по п.1, в которой имеется множество перехватчиков, которые принимают конфигурированное излучение энергии, распространяемое через среду передачи по меньшей мере от одного излучателя.

[0016] Способ обеспечения информации о физическом состоянии, содержащий следующие этапы:

[0017] Способ по п.16, в котором набор измеримых величин, связанный с излучением, является подходящим для оценки физического состояния.

[0018] Способ по п.16, в котором набор измеримых величин, связанный с излучением, используется для определения по меньшей мере одной физической характеристики излучения через среду распространения.

[0019] Способ по п.16, в котором обработку принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, для формирования набора измеримых величин, ассоциированных с излучением, выполняют посредством возведения в квадрат излучения энергии, восстанавливая амплитуду, частоту и фазу второй гармоники подавленной несущей.

[0020] Способ по п.16, в котором обработку принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, для формирования набора измеримых величин, ассоциированного с излучением, выполняют посредством восстановления, с помощью задержки и умножения, характеристик, содержащих частоту, амплитуду и фазу по меньшей мере одной модуляции, существующей по интервалу времени в излучении энергии.

[0021] Способ по п.16, в котором принятое излучение энергии есть произведение дифференциальной несущей или модулированных поднесущих, и обработку принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, для формирования набора измеримых величин, ассоциированного с излучением, выполняют посредством синтеза полосы частот, где по меньшей мере две модуляции в излучении энергии перемножаются вместе, чтобы восстановить частоту, амплитуду и фазу частоты дифференциальных несущих или модулированных поднесущих.

[0022] Способ по п.16, в котором обработка принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, для формирования набора измеримых величин, ассоциированного с излучением, использует дифференцирование, чтобы восстановить частоту, амплитуду и фазу любых модуляций, существующих в определенном интервале времени.

[0023] Способ по п.16, в котором излучение энергии от излучателя перехватывают первым и вторым перехватчиками; и обработку принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, чтобы сформировать набор измеримых величин, связанного с излучением, выполняют посредством взаимной корреляции излучений, перехваченных первым и вторым перехватчиками, чтобы получить помеховый отклик, содержащий амплитуду, фазу и временные производные между этими двумя перехватчиками.

[0024] Способ по п.23, в котором взаимную корреляцию выполняют по меньшей мере над двумя различными частотными каналами излучения энергии; и обработку продолжают посредством дифференцирования двух помеховых откликов, чтобы получить новую амплитуду, фазу и временные производные между этими двумя каналами так, что интервал неоднозначности фазы определяется посредством межканального разделения по частоте.

[0025] Способ по п.24, в котором взаимную корреляцию выполняют посредством смещения во времени излучения энергии, перехваченной первым перехватчиком, относительно излучения энергии, перехваченной вторым перехватчиком, как функции разности в физическом состоянии между первым перехватчиком и вторым перехватчиком.

[0026] Способ по п.16, в котором набор измеримых величин, полученный с использованием сжатия по спектру, включает в себя по меньшей мере одну из физических характеристик в форме амплитуды, фазы и временных производных принятой энергии, когда она распространяется через среду передачи, безотносительно к сохранению информационного контента, модулируемого в пределах излучений энергии.

[0027] Способ по п.16, в котором определение по меньшей мере одного элемента относительного физического состояния содержит

[0028] Способ по п.16, дополнительно содержащий следующие этапы:

[0029] Способ по п.16, в котором

[0030] Способ по п.29, в котором датчик физического состояния обозначен как вторая опорная точка; и по меньшей мере один из излучателя или перехватчика обозначен как второй датчик физического состояния, причем физическое состояние второго датчика физического состояния определяется относительно физического состояния упомянутой второй опорной точки.

[0031] Способ по п.29, в котором физическое состояние опорной точки калибруется относительно внешнего начала отсчета так, что физическое состояние датчика физического состояния может быть оценено относительно внешней системы координат.

[0032] Способ по п.29, в котором множество опорных точек назначено в зоне так, что относительные физические состояния всех опорных точек в этой зоне являются калиброванными относительно друг друга.

[0033] Система для обеспечения информации о физическом состоянии, содержащая

[0034] Система по п.33, содержащая множество перехватчиков, которые принимают излучения энергии, распространяемые через среду передачи по меньшей мере от одного конфигурированного излучателя и по меньшей мере одного внешнего излучателя.

[0035] Способ обеспечения информации о физическом состоянии, содержащий следующие этапы:

[0036] Способ по п.35, в котором перехват и обработка конфигурированного и внешнего излучения энергии происходят в одном и том же перехватчике.

Испрашивание приоритета

Заявка на данный патент испрашивает приоритет заявки на патент США № 11/697575, поданной 6 апреля 2007 г., и предварительной заявки на патент США № 60/745928, поданной 28 апреля 2006 г., эта заявка тем самым полностью включена по ссылке как полностью сформулированная в настоящем описании.

Область техники

Изобретение в целом относится к системе и способу для позиционирования (определения местоположения) удаленных активов (имущества) и более конкретно к системе и способу для работы в локальной среде, где глобальная спутниковая навигационная система (GNSS) недоступна.

Предшествующий уровень техники

Глобальная система определения местоположения (GPS) существенно изменила способы навигации, отслеживания местоположения и временной синхронизации во всем мире. При тридцати двух спутниках на орбите GPS обеспечивает службу непрерывного определения местоположения почти в любом месте, где сигналы могут быть приняты. С появлением дешевых датчиков определения местоположения, использующих GPS, с точностью до нескольких метров, имеет место распространение этой технологии в основные инфраструктуры, включающие в себя системы электропитания, связи, транспортировки и военные. Важность этой возможности как национального средства не может быть завышена и подчеркивается тем фактом, что много других наций теперь или используют, или разрабатывают свои собственные GNSS, включая Россию, Японию, Китай и Европейское Сообщество.

Несмотря на свои многие преимущества, GNSS имеет один существенный недостаток: сигналы систем навигации, установленных на спутнике, обычно очень слабы, когда они достигают приемника определения местоположения. В некоторых случаях, подобно GPS, он является ключевой частью его конструкции, но фактически трудно использовать мощные передатчики на орбите. Эти слабые сигналы делают трудным использование приемников определения местоположения в средах с препятствиями, например в закрытом помещении, поскольку преграды будут иметь тенденцию уменьшать мощность сигнала и делать его бесполезным для определения местоположения или, по меньшей мере, существенно ухудшать всю возможность измерения.

В то время как существенные усилия были предприняты для преодоления этих ограничений, в частности Assisted GPS и High-Sensitivity GPS, в практическом смысле определение местоположения с измерением уровня в средах с препятствиями, использующих GNSS, не осуществимо для широкого использования. Чтобы обеспечить определение местоположения в среде с препятствиями, был разработан другой класс технологий определения местоположения, известный как системы определения местоположения в реальном времени (RTLS), которые происходят от технологии радиочастотной идентификации (RFID).

Используя множество способов ранжирования, например разность во времени прихода (TDOA), интенсивность принятого сигнала (RSS), стационарное считывающее устройство и маркировку наземной отметки, RTLS предлагает ряд возможностей определения местоположения и точности. Наиболее продвинутые и универсальные системы имеют тенденцию использовать TDOA и могут предлагать точность определения местоположения в пределах нескольких метров. Некоторые из этих систем даже требуют субметровой точности, хотя это имеет тенденцию быть в тщательно управляемых средах.

Хотя и являются многообещающими, RTLS системы являются очень дорогими в установке и работе. Когда необходима высокая точность, стоимость и сложность оборудования может сделать это почти непрактичным за исключением нескольких ограниченных приложений. RTLS предлагает ряд решений, которые могут быть приспособлены, чтобы соответствовать множеству приложений; однако по сравнению с относительной простотой и широкой доступностью определения местоположения на основе GNSS все они являются менее востребованными.

Дополнительно, для комбинированных приложений, требующих определения местоположения как в локальной области с препятствиями, так и глобальной области без препятствий, возможности чрезвычайно ограничены, поскольку ни GNSS ни RTLS не может удовлетворять требованиям в одиночку. Объединенные системы RTLS и GNSS не практичны вследствие того, что они в значительной степени несовместимы и трудны для интеграции и в результате очень дороги. Несколько попыток были сделаны, чтобы адаптировать технологии приемника GPS как продукта, используя псевдолиты, чтобы обеспечить RTLS возможности. Хотя и привлекательные в концепции, эти решения в лучшем случае слишком дороги и энергоемки, чтобы быть практически реализованными для использования во многих из приложений RTLS, и в худшем случае они незаконны для работы в большей части мира, поскольку они имеют тенденцию затруднять нормальную работу GPS.

Соответственно, имеется потребность в эффективной по стоимости, высокоточной технологии определения местоположения, которая работает одинаково хорошо в средах с препятствиями, используя локально развернутые опорные точки радиомаяков, и может использовать опорные точки GNSS, такие как спутник GPS, для глобальных сред без препятствий.

Определения

Следующие определения некоторых терминов является полезным для обеспечения основы для описания предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения.

"Альманах" означает информацию, описывающую конфигурацию, текущее физическое состояние или предсказанное будущее физическое состояние опорной точки или датчика физического состояния. Эта информация может быть внутренне сформирована процессором опорной сети или обеспечена внешним источником (например, приемником GPS для GPS-альманаха и эфемерид точности). Обычно информация альманаха имеет время применимости и сохранена в формате, который делает ее относительно удобной для оценки физического состояния.

"Коррекция альманаха" означает корректировки в информации альманаха. Этими корректировками обычно являются корректировки одного или более элементов альманаха и являются более компактными по размеру по сравнению с полной записью альманаха, таким образом сокращая требования к памяти и полосе частот.

"Данные конфигурации" означают информацию, которая задает конфигурацию системы и отношения к внешним началам отсчета. Данные конфигурации включают в себя спецификации опорных точек, преобразований системы координат, и данных преобразования внешнего времени. Системная информация может также включать в себя атрибуты защиты, регистрации датчика физического состояния и спецификации критериев эффективности целостности.

"Эталонная опорная точка системы координат" означает известное или принятое местоположение в системе отсчета с системой координат, которая определена до точности лучшей, чем точность системных требований эффективности конечного пользователя.

"Дифференциальные измеримые величины" означают измеримые величины, которые формируются всякий раз, когда измеримые величины от двух или больше перехватчиков дифференцируются, получая дифференциальное измерение, которое эффективно отменяет систематические ошибки из-за неопределенности в физическом состоянии излучателя. Следует заметить, что имеется 1, 2 и выше дифференцированные (разностные) величины. Предпочтительный вариант осуществления обычно использует первые разности.

"Излучатель" означает любой объект, который формирует излучение энергии.

"Излучение энергии" означает структурированную или не структурированную энергию, распространяемую в некоторой среде передачи, которая может быть перехвачена и обработана. Структурированные излучения включают в себя любые излучения, чьи характеристики известны и являются детерминированными и предсказуемыми некоторым способом. Неструктурированные излучения - что-нибудь, что не рассматривается структурированным и обычно имеет случайные характеристики.

"Перехватчик" означает любой объект, способный перехватывать по меньшей мере одно излучение энергии.

"Датчик определения местоположения" означает датчик физического состояния, сконфигурированный формировать измеримые величины, полезные для определения позиции.

"Навигационный процессор" означает блок оценки физического состояния, конфигурированный, чтобы обрабатывать измеримые величины по меньшей мере для одного датчика физического местоположения, приводящие к оценке физического состояния датчика физического местоположения. Оценка физического состояния может быть осуществлена любым количеством средств. Предпочтительный вариант осуществления использует комбинацию стохастических способов оценки, включающих в себя метод наименьших квадратов, фильтрование Калмана (Kalman), и смешанные способы.

"Измеримая величина" означает измерение перехваченной энергии, распространяемой в некоторой среде передачи между излучателями и перехватчиками.

"Физическое состояние" означает физические характеристики относительно системы координат устройства, состоящего по меньшей мере из одного или более из следующего: позиция, ориентация, синхронизация и временные производные. Позиция и ориентация могут быть одно-, двух- или трехмерными. Позиция - это измерение линейного расстояния по одной или более осей. Ориентация - это измерение углового вращения относительно некоторой оси. Синхронизация - измерение времени. Временные производные - производные по времени первичных физических характеристик.

"Оценка физического состояния" или "ОФС" (PSE) означает вычисленную оценку физического состояния, полученную из измеримых величин.

"Блок оценки физического состояния" означает элемент системы, который обрабатывает измеримые величины при заданных предварительно определенных данных конфигурации, получая оценку физического состояния.

"Датчик физического состояния" означает системный элемент, который используется, чтобы воспринять физическое состояние. Датчик физического состояния может быть перехватчиком энергии или излучателем в зависимости от конфигурации.

"Опорная точка" означает системный элемент, действующий как точка отсчета для измерения позиции одного или более датчика(ов) определения местоположения. Элемент опорной точки может быть или излучателем или приемником энергии, распространяемой в некоторой среде передачи. Они могут быть помещены в известные эталонные точки в пределах системы координат. Опорные точки могут быть также перемещающимися, или внешним началом отсчета, например квазарами, при возможности -спутниковыми сигналами, и любым другим излучателем энергии. Главной характеристикой опорной точки является то, что одна или более физических характеристик известны до оценки относительного физического состояния между опорной точкой и датчиком физического состояния.

"Сигнал измерения дальности" означает излучение структурированной энергии, специально предназначенный, чтобы иметь соответствующие характеристики, чтобы быть полезным при измерении дальности между излучателем и перехватчиком.

"Передатчик сигнала измерения дальности" или "RST" означает излучатель, который передает сигнал измерения дальности. Это может быть глобальный навигационный спутник, локальный радиомаяк, или любой передатчик, который выдает сигнал, который может использоваться как сигнал измерения дальности.

"Процессор опорной сети" означает блок оценки физического состояния, сконфигурированный для оценки физического состояния по меньшей мере для одной опорной точки относительно второй опорной точки и последующего использования результирующей информации о физическом состоянии, чтобы обновлять информацию альманаха и коррекций и другие соответствующие данные конфигурации для системы.

"Опорный SCT" означает спектральный компрессор и транслятор, который обозначен как опорная точка в системе.

"Спектральный компрессор и транслятор" или "SCT" означают датчик физического состояния, сконфигурированный в качестве перехватчика, который обрабатывает перехваченные излучения энергии, используя по меньшей мере один способ сжатия по спектру, формируя измеримые величины, которые могут быть использованы для оценки физического состояния.

"Сжатие по спектру" означает процесс извлечения изменяющихся физических характеристик в форме амплитуды, фазы и временных производных перехваченной энергии, когда она распространяется через среду передачи, безотносительно к сохранению информационного контента, потенциально модулируемого в излучениях энергии. Процесс извлечения использует по меньшей мере одну или более из известных физических характеристик излучения энергии и излучателя, чтобы преобразовать контент с широкополосным спектром в узкополосный режим, который сохраняет физические характеристики. Преобразование широкополосного спектрального контента может быть выполнено безотносительно к модулированному информационному контенту, позволяя получить эффективное усиление процесса, которое выдает высокое соотношение сигнал/шум для извлечения физических характеристик.

"Системный контроллер" означает системный элемент (обычно программное обеспечение), который ответственен за координирование системных операций, управляющих конфигурацией, калибровкой, и координирование потока информации к другим элементам в системе. Системный контроллер реализует функции синхронизации и управления, необходимые для координирования других системных функций, чтобы обеспечить некоторую эффективность и качество обслуживания. Следует заметить, что эти функции могут быть физически осуществлены в единственном контроллере или распределяться/совместно использоваться в группе контроллеров в зависимости от конкретных требований реализации.

"Временная привязка" означает внешний сигнал, который обеспечивает информацию о внешних времени и частоте, которая является полезной для синхронизации временной и частотной привязки системы. Одна из наиболее общих внешних временных привязок - универсальное синхронизированное время (среднее время по Гринвичу) (UTC) и время GPS, позволяющие связать временные и частотные привязки системы с этими указанными системами.

"Среда передачи" означает любую среду, способную распространять энергию в некоторой форме; среды включают в себя свободное пространство, жидкости, твердые тела и газы.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает систему и способ для определения физического состояния и основной позиции датчика физического состояния относительно известных опорных точек, которые могут включать в себя как глобальные навигационные спутники (например, глобальная система определения местоположения (GPS)), так и локальные радиомаяки, так что надлежащий охват обеспечивается, даже когда глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) не доступна или, иначе, имеет препятствия. Изобретение представляет систему и способ для основанной на радиомаяках системы определения местоположения локальной области, используя РЧ (или другие сигналы), чтобы выдать сигналы измерения дальности к одному или более датчикам определения местоположения.

Примерный вариант осуществления системы согласно настоящему изобретению для обеспечения информации о физическом состоянии в пределах конфигурированной среды включает в себя по меньшей мере один излучатель, который излучает энергию в пределах среды передачи; по меньшей мере один перехватчик, который принимает энергию, распространяемую через среду передачи от излучателя, причем перехватчик конфигурирован так, чтобы обработать принятые излучения, используя сжатие по спектру, чтобы сформировать набор измеримых величин, подходящих для оценки физического состояния. Система передает набор измеримых величин к блоку оценки физического состояния, который конфигурирован для определения элемента относительного физического состояния между перехватчиком и излучателем на основании набора измеримых величин, принятых от перехватчика. Система затем сообщает об определенном элементе относительного физического состояния на основании набора измеримых величин, принятого от перехватчика.

Примерный вариант осуществления способа настоящего изобретения для обеспечения информации о физическом состоянии в пределах конфигурированной среды включает в себя этапы излучения энергии по меньшей мере из одного излучателя через среду распространения; перехват излучения энергии в перехватчике; обработку принятого излучения энергии, используя сжатие по спектру, чтобы сформировать набор измеримых величин, ассоциированный с этим излучением; передачу набора измеримых величин к блоку оценки физического состояния; прием данных конфигурации, относящихся к развертыванию и конфигурации излучателя и перехватчика в пределах конфигурированной среды; определение элемента относительного физического состояния между перехватчиком и излучателем на основании набора измеримых величин и данных конфигурации; и передачу элемента относительного физического состояния.

Результирующие альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения преодолевают недостатки, связанные с современными системами и способами, и обеспечивают эффективную по стоимости, простую в осуществлении и быстро развертываемую систему с полностью автономным способом для оценки физического состояния, используя или радиомаяки локальной области и/или спутники GNSS глобальной области, такие как в GPS.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные и альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения ниже описаны подробно со ссылками на следующие чертежи.

Фиг. 1 - логическая диаграмма системы, показывающая компоненты изобретения, включающие в себя передатчики сигнала измерения дальности, спектральные компрессоры и трансляторы и компоненты обработки для определения физического состояния, используя перехваченную энергию, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2А показывает интеграцию изобретения с существующими активами (средствами) связи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2В иллюстрирует компоненты спектрального компрессора и транслятора, интегрированные с процессором определения физического состояния в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2С и 2D иллюстрируют компоненты на уровне блоков для спектрального компрессора и транслятора, интегрированного со средствами связи в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2Е и 2F показывают дополнительные сценарии интеграции на уровне блоков для спектрального компрессора и транслятора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует логическую схему для сценария, в котором изобретение объединено в гибридном режиме работы с сигналами GNSS в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4А иллюстрирует подробности передатчика сигнала измерения дальности в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 4В иллюстрирует генерирование сигнала измерения дальности в RST в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5А иллюстрирует функциональные возможности спектрального компрессора и транслятора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 5В иллюстрирует функциональные возможности компонента процессора канала для SCT в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует блок оценки физического состояния, который преобразовывает наблюдаемые данные в элементы физического состояния в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует процесс объединенного фильтрования для формирования набора данных коррекции опорной точки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 8А и 8В иллюстрируют различие между дифференциальным относительным и абсолютным определением местоположения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 иллюстрирует сценарий развертывания трехмерного определения местоположения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 10 иллюстрирует сценарий развертывания, в котором сигналы и RST и GNSS являются доступным для гибридного определения местоположения в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 11 иллюстрирует применение изобретения для поисковых и спасательных операций в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 12 иллюстрирует логическую диаграмму системы, иллюстрирующую компоненты изобретения, включающие в себя излучатель, перехватчик и блок оценки физического состояния используемых для определения физических состояний, используя перехваченную энергию, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13А иллюстрирует способ обеспечения информации о физическом состоянии в пределах конфигурированной среды в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13В иллюстрирует способ перехвата и обработки излучения энергии для обеспечения информации о физическом состоянии в пределах конфигурированной среды в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13С иллюстрирует способ для обработки узкополосных данных, используя пиковый детектор, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13D иллюстрирует способ для обработки узкополосных данных, используя контур отслеживания фазы, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 13Е иллюстрирует способ обработки узкополосных данных, используя взаимную корреляцию, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Существуют ситуации, в которых реализация GNSS для определения физического состояния некоторого датчика является непрактичной, так как спутниковые сигналы являются или слишком слабыми, затрудненными (препятствиями), или содержащими помехи случайно или намеренно. Такие ситуации могут иметь место в замкнутом пространстве, например в пределах металлической конструкции склада, под землей/щебнем, или возможно, средах с заглушенной GNSS.

В качестве краткого обзора настоящее изобретение использует среду совокупности радиомаяков, которая хотя и при малой мощности передатчика ( <1 мкВт) обеспечивает сигнальный поток, который является на 40-60 дБ более мощным, чем сигналы GNSS, и таким образом можно определить физическое состояние датчика в случаях, когда GNSS или отсутствует, или является ненадежной в контексте конфигурированной среды, или, другими словами, среду, в которой имеется возможность развернуть совокупность радиомаяков способом, который предоставляет максимум гибкости для системного оператора. Совокупность радиомаяков использует способы расширения спектра без необходимости во временной и частотной синхронизации, в то же время достигая достаточно устойчивого управления частотой, чтобы идентифицировать радиомаяк индивидуально по его смещению частоты. Такие совокупности радиомаяков могут иметь место в наземной, морской, воздушной или космической средах.

Например, в наземной ситуации, когда помеха, случайно или намеренно, делает GPS (тип GNSS) недоступной, может использоваться развертывание радиомаяков на беспилотных воздушных транспортных средствах, UAV (БВТС), воздушном шаре или ракетах/парашютах. Режимы сжатия по спектру предпочтительно используются в GNSS датчиках с цифровой выборкой с расширенным динамическим диапазоном, чтобы допустить остаточную помеху по высоте. В этом варианте осуществления данные GNSS сжатия по спектру передаются по нисходящему каналу связи или, альтернативно, внедряются в спектр радиомаяка. Таким способом может быть определено динамическое физическое состояние этих бортовых радиомаяков.

Радиомаяки являются устройствами, которые излучают неточно ограниченную сигнальную структуру, которые конфигурированы для упрощения общей конструкции, чтобы минимизировать стоимость перехватывающего устройства, минимизировать требования смешивания данных и упростить блоки оценки физического состояния. Концепция этих радиомаяков не ограничивается работой в какой-либо модальности излучения. В альтернативных вариантах осуществления эти радиомаяки работают в нескольких физических областях, таких как электромагнитная (РЧ, оптическая или ядерная, области рентгеновского и гамма-излучения) и акустическая (через воду, воздух или твердые материалы).

Модуляция радиомаяка в предпочтительном варианте осуществления использует широкополосное подавление неподавленной несущей, чтобы реализовать одновременный прием сигналов множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) от многих радиомаяков. Модуляция от всех радиомаяков может быть или может не быть когерентной по фазе или синхронизированной по времени между полной совокупностью радиомаяков. Состояние синхронизации и когерентности сигнала совокупности является проблемой выбора, который должен быть сделан конкретной требуемой конфигурацией, и вопросом, касающимся стоимости и гибкости оборудования удаленного приемника.

Философия предпочтительной структуры - это комбинация спутниковой навигационной архитектуры из трех сегментов и методологии приема GNSS со сжатием по спектру. Структура широкополосного РЧ сигнала минимизирует спектральную плотность и возможность взаимных помех с другим РЧ оборудованием, которое может быть в области, а также ограничивая возможность внесения помех в систему согласно изобретению. Это предпочтительно выполняется посредством расширения по спектру сигналов по максимальному разрешенному диапазону, приблизительно 20 МГц, используя заранее определенные границы ISM диапазонов, например, центрированных в 915 МГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц в соответствии с современными нормами в США.

Обзор системы и способа.

Предпочтительный вариант осуществления обеспечивает систему определения местоположения локальной области и методологию, которая обеспечивает определение местоположения с высокой точностью (сантиметры, если требуется), простоту работы и недорогую реализацию, чтобы достичь повсеместность использования. Более конкретно, настоящее изобретение смешивает три способа: радиоастрономическую пространственную геодезию, широкополосные (с расширенным спектром) коммуникации и способы нелинейной обработки сигналов от GPS.

Радиоастрономия, такая как пространственная геодезия с интерферометрией со сверхдлинной базой (VLBI), использует концепцию массива некогерентных источников радиоизлучения, обычно квазаров, для того чтобы служить в качестве системы отсчета для определения трехмерного векторного разделения между двумя или более радиотелескопами.

Широкополосные (с расширенным спектром) CDMA обмены использует способ генерирования псевдослучайного шума (PRN, ПСШ) прямой последовательностью, используя линейный цифровой генератор с регистром сдвига с отводами в цепи обратной связи. PRN генераторы используют внутренний источник частоты, чтобы управлять тактированием работы регистра сдвига, которая служит для подавления несущего сигнала и расширяет сигнал для уменьшения спектральной плотности. Это обеспечивает одновременные преимущества повторного использования канала, относительной устойчивости к внутриполосным помехам и низкой вероятности обнаружения и перехвата.

Способы использования нелинейного сигнала GPS обеспечивают основание для полученной методологии, известной как сжатие по спектру, которая минимизирует затраты в терминах разработки заказных микросхем/программно-аппаратного обеспечения и потребляемой мощности по постоянному току. Обычный приемник GPS функционирует, априорно зная последовательность PRN-кода, которую каждый спутник использует для расширения по спектру несущего сигнала, на который модулируется телеметрия. Это в свою очередь позволяет приемнику GPS извлекать навигационное сообщение, включающее в себя временное и частотное состояние синхронизации каждого спутника, чтобы внутренний процессор приемника GPS вывел (получил) свою позицию и скорость автономным образом. В качестве сравнения, GPS способы сжатия по спектру получают типы данных с меняющейся фазой от множества синхронизированных спутников без какого-либо знания последовательности PRN-кода, используемой для расширения по спектру несущих сигналов.

Структура совокупности радиомаяков избегает необходимости во временной и частотной синхронизации, в то же время все еще функционируя в качестве системы координат для определения физического состояния. В самой простой форме радиомаяки формируют некогерентную антенную решетку РЧ сигналов малой мощности с очень низкой спектральной плотностью, чтобы избежать взаимных помех с другими системами в той же самой спектральной области, наиболее вероятно ISM-диапазонах. Некогерентный массив радиомаяков пригоден для использования в дифференциальном относительном подходе определения местоположения (позиционирования) для VLBI. Радиомаяки и датчики определения местоположения зависят от кварцевых источников опорной частоты не лучше, чем те, что используются в недорогих цифровых наручных часах, с точностью по частоте и стабильностью приблизительно 10 частей на миллион (РРМ). В методологии сжатия по спектру не имеется никакого извлечения телеметрии. В результате, радиомаяки отличаются друг от друга своими обозначенными частотными смещениями относительно номинальной частоты следования элементов сигнала PRN последовательности.

Датчики (определения) местоположения не зависят от обработки сигналов взаимной корреляции известных PRN-кодовых последовательностей, чтобы получить псевдоизмерение дальности. Способы сжатия по спектру разрешают сбор измеримых величин с неоднозначной фазой для определения местоположения, полученных из нелинейной обработки посредством задержки и умножения, которая восстанавливает частоты следования элементов сигнала каждого радиомаяка.

Каждый из радиомаяков предпочтительно использует одинаковую PRN-последовательность. В предпочтительном варианте осуществления PRN-код имеет максимальную длину, означающую, что он имеет автокорреляционную функцию, которая является нулевой для всех значений сдвига, за исключением сдвига на нуль, или значения, равного длине кода, заданной 2 ⁿ -1, где n-количество каскадов регистра сдвига.

При обработке калибровки всех не повторяющихся пар базисных векторов между радиомаяками настоящее изобретение объединяет N радиомаяков в эквивалент геодезической сетевой настройки размерностью n/2х(n-1) комбинаций. Например, при шести радиомаяках, сконфигурированных для приема или передачи в соответствии со способами калибровки, описанными в настоящем изобретении, будут иметь место пятнадцать уникальных базисных векторов в сети. Вычисления, основанные на сети, приводят к преимуществам, касающимся обработки данных, особенно когда присутствует РЧ многолучевое "загрязнение"; например, многолучевое загрязнение должно быть специфическим для каждого из базовых векторов, а не систематическим по сети. Таким образом, сетевая настройка, полученная в результате настоящего изобретения, является эффективной в получении наилучшей оценки истинного физического состояния радиомаяка и обеспечивает доброкачественность относительно точности индивидуальных измерений, при применении к измерениям, сделанными датчиками определения местоположения. Эти сетевые оценки могут применяться для непрерывного контроля целостности данных конфигурации, делая систему самокалибрующейся и способной контролировать неожиданные изменения в физических состояниях радиомаяков относительно общей внутренней системы координат. В настоящем изобретении физическое состояние датчика определения местоположения может быть оценено как часть сети или после применения сетевых настроек в качестве корректировок в соответствии с априорной информацией альманаха радиомаяка.

В качестве примера различные альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения рассмотрены ниже и иллюстрируют, в частности, объем и применимость этой технологии.

Централизованный блок обработки, который принимает измеримые величины сжатия по спектру для одного или более датчиков определения местоположения и опорных точек, позволяет (выполнить) оценку физического состояния выбранных датчиков определения местоположения и опорных точек.

Размещение радиомаяков может быть отчасти произвольным, поскольку они сами могут действовать как датчик определения местоположения, позиционирующий самого себя в сети в режиме калибровки после развертывания. В этом варианте осуществления используется вертикальное, в дополнение к горизонтальному, размещение по меньшей мере одного устройства радиомаяка, чтобы достичь трехмерного позиционирования.

Система определения местоположения может иметь в основе существующие диапазоны связи без наличия помех. Этот вариант осуществления использует любую систему, которая существует, для увеличения ее возможностей, не требуя существования конкретной сети связи.

Одновременное наблюдение сигналов радиомаяка от датчика определения местоположения опорной точки и от второго датчика определения местоположения, в котором формируется дифференциальный сигнал, который удаляет общие смещения во времени. В этом варианте осуществления требования синхронизации уменьшаются без жертвования полной точностью измерении, в то же время одновременно обеспечивая недорогую реализацию генератора. Сигналы CDMA разделяются по их частоте следования элементов сигнала PRN с достаточным разделением для уникальной идентификации. Не имеется необходимости в стандарте частоты, лучшем, чем точность 1 РРМ, таком как температурно-скомпенсированном кварцевом генераторе (ТСХО). В альтернативном варианте осуществления определение местоположения с точностью уровня измерителя достижимо посредством дешевых генераторов, которые имеют точность приблизительно 50 РРМ, хотя будет необходимо пропорционально большее разделение между частотами следования элементов сигнала радиомаяка.

Каждый радиомаяк передает широкополосный (с расширенным спектром) модулированный сигнал CDMA (множественного доступа с кодовым разделением каналов) по множеству каналов, которые по существу перекрываются, но каждый радиомаяк имеет слегка отличную частоту следования элементов сигнала для своего генератора PRN (псевдослучайного шума) последовательности.

Этот подход к обработке не требует координации опорной частоты радиомаяка, когерентности по фазе или временной синхронизации между множественными блоками радиомаяков.

Сигналы измерения дальности в пределах конкретного РЧ диапазона модулируется последовательностью регистров сдвига с отводами в цепи обратной связи с очень длительным периодом (порядка сотен дней), допуская сотни одновременных радиомаяков, работающих от генерации заданного кода. Каждый радиомаяк смещен во времени в пределах этой длинной последовательности так, чтобы он только обеспечил свою часть последовательности в интервале 1 дня. В одном альтернативном варианте осуществления приблизительно трехсекундная повторяющаяся PRN кодовая последовательность используется во всех радиомаяках, которая имеет частоту следования элементов сигнала, равную 10,23 МГц, причем каждый радиомаяк начинается в произвольное время. Этот вариант осуществления использует тот факт, что имеется малая вероятность существования когда-либо двух идентичных событий начала, которые совпадают и остаются в пределах 50 нс. Идентификационная информация конкретного радиомаяка в конфигурированной среде обозначается частотой следования элементов сигнала PRN последовательности. Например, смещение на 125 Гц выше номинальной частоты следования элементов сигнала 10,23 МГц может соответствовать радиомаяку, смещенному в северо-восточное местоположение потолка в углу большого склада.

Датчик определения местоположения в пределах области локальной системы определения местоположения, заданной радиомаяками, которые будут сжимать сигналы CDMA, используя способы сжатия по спектру, восстанавливает частоту следования элементов сигнала конкретного принимаемого радиомаяка. Каждый радиомаяк будет использовать два или три PRN канала с различными скоростями следования элементов сигнала (например, 10,23 МГц, 1,023 МГц и 0,1023 МГц, соответствующими длинам волн неоднозначности приблизительно 29 м, 293 м и 2,93 км соответственно), чтобы обеспечить разрешение фазовых неоднозначностей следующей самой высокой частоты следования элементов сигнала. Частотные смещения, частоты следования элементов сигнала и каналы - все является конфигурируемыми на основании заданного применения, окружения устройства и требований точности, и являются полностью конфигурируемыми. В предпочтительном варианте осуществления датчик определения местоположения использует обработку FFT (БПФ), чтобы определить амплитуду, частоту и фазу для каждого из этих трех каналов из принятого сигнала каждого радиомаяка. Альтернативный вариант осуществления может также извлекать амплитуду, частоту и фазу, используя ряд каскадов фазовой автоподстройки частоты, один для каждого радиомаяка на каждом канале.

При достаточно высоком соотношении сигнал/шум единственный дополнительный канал 102,3 кГц может быть достаточным для разрешения неоднозначности в 29,3 м из этого канала 10,23 МГц. Например, в приемнике, работающем в режиме задержки и умножения со спектральным сжатием, который достигает соотношения сигнал/шум амплитудой 100 к 1, фазовый шум должен быть 0,01 рад или 0,6 ° или 1,6 миллипериодов или 5 м. Точность в 5 м, полученная из канала с частотой следования элементов сигнала 102,3 кГц, будет надежно разрешать неоднозначность в 29,3 м. Неоднозначность канала 102,3 кГц будет иметь свою неоднозначность в 2,93 км, однако для физического пространства, где разделение между модулем удаленного пользователя также меньше чем 1,4 км, неоднозначности не имеется. В альтернативном варианте осуществления третий канал возможно с 1,023 кГц с неоднозначностью 293 км и фазовой точностью 500 м может использоваться, чтобы разрешить неоднозначности 2,93 км из PRN генератора с частотой следования элементов сигнала 102,3 кГц.

Эта технология имеет применение для приложений RTLS, в которых датчики определения местоположения помещены в активы (имущество), подлежащие отслеживанию, и дополнительно в приложениях, таких как сканеры штрихового кода, в которых сам модуль сканера действует как датчик определения местоположения и кореллирует позицию с идентификационной информацией штрихового кода заданного имущества.

Эти и другие варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают некоторые или все из следующих преимуществ.

Возможность произвольно размещать радиомаяки и для них иметь возможность определять их собственные местоположения, таким образом уменьшая стоимость и сложность инсталляции и использования системы.

Возможность устранять требование по временной и частотной синхронизации, например, между тэгами и считывающими устройствами в других системах. Это значительно уменьшает сложность и стоимость развертывания этой системы. Эта гибкость широко открывает возможности для развертывания в нестандартных конфигурированных средах, например, авариях, когда поисковые и спасательные миссии требуют своевременного ответа.

Использование распределенной архитектуры, в которой вычисление и обработка данных происходит тогда, когда это целесообразно. В одном варианте осуществления настоящего изобретения это происходит в центральном местоположении с данными, переданными от отдельных модулей. В альтернативном варианте осуществления это происходит в самом воспринимающем модуле. Способность настоящего изобретения динамически определять алгоритмы вычисления допускают простую и относительно недорогую реализацию датчиков, где целесообразно, или более сложных и дорогих датчиков с полной возможностью определения местоположения, если это соответствует другим приложениям.

Возможность выполнять определение местоположения в гибридной локальной области и глобальной области в одной и той же платформе, т.е. локальное определение местоположения, выполненное, когда сигналы GNSS недоступны, или если GNSS сигналы доступны, обработку данных одновременно.

Использование программно определенной радиоархитектуры, которая допускает одновременную обработку GNSS или других возможных сигналов без существенных изменений в аппаратной или программной реализации.

Предпочтительная архитектура системы.

В настоящем изобретении функциональные компоненты, содержащие систему определения физического состояния для конфигурированных сред, могут быть осуществлены множеством способов для оптимизации эффективности. Фиг. 1 иллюстрирует логические функции настоящего изобретения без рассмотрения конкретной реализации или сценария развертывания. Эта диаграмма показывает основные блоки и соотношения между данными, типичные для предпочтительной реализации настоящего изобретения.

Более конкретно, со ссылками на фиг. 1 ниже описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Начиная со множества передатчиков (RST) 101 сигналов определения местоположения, система выполняет множество передач 108 сигнала определения местоположения, которые одновременно принимаются одним или более спектральными компрессорами и трансляторами (SCT) 103. RST предпочтительно передают один или более сигналов определения местоположения в окружающую среду, обычно свободное пространство, посредством РЧ сигнала, возможно в ISM диапазонах, хотя также возможно и в другие среды, такие как посредством акустического сигнала через воду, почву, скальные или строительные материалы. Эти альтернативные сигналы предпочтительно имеют характеристики, которые могут быть оптимально сконфигурированы для конкретной среды. Каждый SCT 103 принимает сигналы от множества RST 101 и обрабатывает сигналы, чтобы сформировать измеримые величины 110, содержащие информацию, полезную для оценки текущего физического состояния SCT (например, позиция, скорость и время). Один или более из этих SCT обозначен(ы) как опорный(ые) SCT 104, чьи измеримые величины 111 используются с целью калибровки и управления системой.

Продолжая со ссылками на фиг. 1, измеримые величины 110 от SCT передают на навигационный процессор 105 вместе с опорными измеримыми величинами 111 и данными 112 альманаха и коррекций через средства связи. В предпочтительном варианте осуществления изобретения нет необходимости физически совмещать навигационный процессор и функции SCT, поскольку обмены данных между блоками являются относительно минимальными и могут быть обработаны посредством одной или более форм обменов, например, Ethernet, WiFi (802.11), Zigbee (802.15.4), или любой средой обмена, способной к передаче данных. Навигационный процессор 105 использует эти измеримые величины, которые могут включать в себя измеримые величины 118 и 111, с данными 112 альманаха/коррекций, чтобы определить оценку 118 физического состояния, которая включает в себя по меньшей мере одно из: позиции, ориентации в пространстве, синхросигнала и временных производных для указанного(ых) периода(ов). Периоды могут быть временем, указанным в измеримых величинах, или прошедшими или будущими периодами, если навигационный процессор использует подходящую модель для распространения переменных состояния вперед или назад во времени. Оценка 118 физического состояния может быть сообщена любой заинтересованной стороне, как определено конкретной реализацией системы.

Системный контроллер 102 служит для координации и контроля функций системы. Он принимает измеримые величины 111 от одного или более опорных SCT 111 посредством сигнала связи. Эта информация может включать в себя необязательную внешнюю временную привязку 116 и необязательные данные опорной системы координат 117, которые предпочтительно собирают и передают к функциональным блокам 106 и 107 с целью создания конфигурации системы и информации калибровки прошлого, текущего и будущего физического состояния и конфигурации. Данные 115 конфигурации системы используются системным контроллером для конфигурации и настройки множества RST 101 посредством коммуникационного сигнала 119. Обмен 119 между системным контроллером 111 и RST 101 является необязательным в средах, где передачи 108 сигнала определения местоположения RST 101 перехватываются по меньшей мере одним опорным SCT, позволяя системе определить физическое состояние RST 101 с помощью процессора 107 опорной сети. Процессор 107 опорной сети использует собранные измеримые величины и априорную информацию о конфигурации системы, чтобы вычислить физическое состояние всех RST 101 и опорных SCT 104 в системе относительно друг друга. Эти физические состояния предпочтительно состоят из оценок позиции, скорости (обычно нулевой), синхронизации и параметров синхронизации (смещение, частота и т.д.), а также характеристик передачи RST, которые объединяют, чтобы сформировать данные 114 альманаха и коррекций. Данные 114 альманаха и коррекций для одного или более периодов сохранены в базе данных 106, которая предпочтительно конфигурируется, чтобы выдать эти данные по запросу. В альтернативных вариантах осуществления формат данных 114 альманаха и коррекций допускает эффективное вычисление будущих состояний посредством одной или более моделей распространения. Данные альманаха и коррекций используются как системным контроллером 102, так и навигационным процессором 105, как описано выше. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения данные 114 альманаха и коррекций содержит как оцененные векторы состояний для каждого RST, так и опорные SCT, также как и дополнительные коэффициенты для модели распространения, которая дает возможность данным альманаха и коррекций использоваться успешно в будущем. Способность распространять данные альманаха и коррекций в будущее зависит от качества генераторов RST/опорного SCT, требуемой точности и сложности модели распространения.

Конфигурация интегрированных передач беспроводных данных.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения позволяет сократить стоимость производства и сложность модулей, реализующих функцию SCT, в то же время максимизируя гибкость и эффективность. Дополнительное преимущество настоящего изобретения достигается посредством интеграции системных функциональных возможностей с функциями передачи беспроводных данных, что позволяет совместно использовать обработку цифрового сигнала и РЧ входные схемы. Как описано более подробно ниже, функция SCT настоящего изобретения значительно уменьшает сложность и таким образом стоимость по сравнению с большинством приемников передачи беспроводных данных. Посредством реализации функций SCT в качестве расширения функций связи, возможности определения физического состояния добавляются с небольшой дополнительной стоимостью. Дополнительно, интеграция с беспроводной передачей данных происходит естественно посредством комбинирования функций посылки/приема данных в системном контроллере.

Фиг. 2А показывает интеграцию настоящего изобретения с ячеистой беспроводной сетью передачи данных типа Zigbee (802.15.4). SCT 103 и беспроводный приемопередатчик данных 204 объединены, чтобы сформировать коммуникационный модуль 201 SCT. В своей самой простой форме модуль 201 представляет собой бирку (tag), способную к восприятию RFID и физического состояния. Модуль 202 радиомаяка предпочтительно состоит из RST 101, SCT 104 и беспроводного приемопередатчика 204 данных. Множество модулей радиомаяка развернуто в физической области, чтобы обеспечить как сигналы 108 измерения дальности для позиционирования (определения местоположения), так и инфраструктуру 205 и 206 системы коммуникаций. Интеграция SCT 104 с модулем радиомаяка дает возможность каждому модулю радиомаяка действовать в качестве опорного SCT, собирающего измеримые величины от других модулей радиомаяка, развернутых в пределах дальности действия. Посредством этой объединенной передачи сигнала определения местоположения и сбора измеримых величин система облегчает сбор информации, необходимой для определения своей собственной конфигурации, используя процессор 107 опорной сети. В одном варианте осуществления системный контроллер 102, навигационный процессор 105, процессор 107 опорной сети и база данных 106 объединены, чтобы сформировать системный блок 203 управления, который централизует сложную обработку данных и функции управления. Блок 203 управления системой предпочтительно подсоединен к беспроводной сети 205 передачи данных посредством одного или более модулей радиомаяка с помощью коммуникационного сигнала 207. Для беспроводных сетей передачи данных, поддерживающих ячеистую организацию сети, модули 202 радиомаяка становятся узлами в беспроводных сетях 205 и 206 передачи данных. Развертывание ячеистой сети эффективно упрощает инсталляцию системы определения местоположения, позволяя каждому модулю 202 радиомаяка координироваться с системным блоком 203 управления через другие модули радиомаяков без требования инсталляции других сред связи (например, Ethernet). В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения системный блок управления физически соединен с одним или более модулями радиомаяка через соединение Ethernet, которое обеспечивает преимущества робастности и уменьшенной стоимости. Для большей мобильности и гибкости коммуникационный сигнал 207 может быть выполнен посредством подключения беспроводного приемопередатчика 204 данных непосредственно к системному блоку 203 управления.

После развертывания, если интегрировано с беспроводной сетью передач данных (показанной на фиг. 2А), настоящее изобретение может также использоваться для ряда приложений сети передачи данных между коммуникационными устройствами 208 и сетевыми услугами 209, внешними для системы. Как описано более подробно ниже, требования к связи для настоящего изобретения минимизируют потребность в ресурсах связи, оставляя большую часть полосы частот доступной для других действий. В предпочтительном варианте осуществления системный блок 203 управления является шлюзом для сетевых услуг для обращения к устройствам в беспроводных сетях 205 и 206 передачи данных. Беспроводные сети 205 и 206 передачи данных могут быть защищены шифрованием данных и другими средствами защиты, так что только зарегистрированный пользователь способен обращаться и использовать инфраструктуру шлюза с модулем 202 радиомаяка и системным блоком 203 управления для передачи информации между устройствами и услугами.

Фиг. 2В показывает дополнительный вариант осуществления SCT коммуникационного модуля 201, где навигационный процессор 105 интегрирован непосредственно с функциональными блоками SCT 103 и беспроводным приемопередатчиком 204 данных. Эта конфигурация позволяет вычислять вектор 118 состояния SCT в этом модуле в ситуациях, когда данные 112 альманаха и коррекций доступны от системы. Данные 112 альманаха и коррекций доставляются SCT коммуникационному модулю 201 априорно или по требованию, как запрашивается модулем 201. В альтернативном варианте осуществления модуль 201 может запрашивать измеримые величины от одного или более опорных SCT, чтобы определить полное дифференциальное решение. Подобная конфигурации на фиг. 2А, полуавтономная конфигурация, описанная на фиг. 2В, может использовать определенные системным блоком управления оценки физического состояния, как необходимо. Например, эта возможность может быть полезна в ситуациях, когда навигационный процессор 105 недоступен из-за ограниченных ресурсов мощности.

Фиг. 2С показывает дополнительный вариант осуществления SCT коммуникационного модуля 201, в котором машина-машинный интерфейс (MMI) 235 интегрирован с базовыми функциями 103 SCT и функциями 204 беспроводного приемопередатчика данных, чтобы обеспечить оценку физического состояния SCT (PSE) 118 и передачу данных 233 для внешних устройств 234. Эта конфигурация является обычной для периферийного устройства связи с разрешенным местоположением, где внешнее устройство 234 включает в себя заказную программу драйвера, позволяющую ему обратиться к функциям SCT коммуникационного модуля 201 для определения физического состояния и связи. Эта конфигурация представляет собой недорогую реализацию по отношению к сложности SCT коммуникационного модуля. В этом варианте осуществления измеримые величины 111 обрабатываются системным блоком 203 управления, который возвращает результирующую оценку 118 физического состояния. Эта информация ретранслируется SCT коммуникационным модулем 201 на внешнее устройство 234 через MMI 235.

Фиг. 2D иллюстрирует альтернативный вариант осуществления SCT коммуникационного модуля 201, где и навигационный процессор 105 и MMI 235 интегрированы с базовыми функциями 103 SCT и функциями 204 беспроводного приемопередатчика данных, чтобы обеспечить полуавтономную возможность определения местоположения. Подобно варианту осуществления, показанному на фиг. 2В, этот вариант осуществления способен определить оценку физического состояния SCT (PSE) 118 в ситуациях, когда системный блок 203 управления выдает соответствующие данные 112 альманаха и коррекций. Как и согласно фиг. 2С, SCT коммуникационный модуль 201 обеспечивает PSE 118 и передачи данных 233 на внешнее устройство 234.

Фиг. 2Е показывает альтернативный вариант осуществления SCT коммуникационного модуля 201 со внешним устройством 234, где навигационный процессор 105 располагается на внешнем устройстве. В этом случае внешнее устройство имеет достаточную возможность обработки для выполнения функции обработки навигации, позволяющие существенно упростить SCT коммуникационный модуль 201, включающим в себя функции 103 SCT, функции 204 беспроводного приемопередатчика данных и функции 235 MMI, таким образом требуя меньшей мощности. Системный блок 203 управления обеспечивает данные 112 альманаха и коррекций, и/или обработку измеримых величин 111, чтобы сформировать PSE 118, как требуется внешним устройством 234 в случаях, когда устройство предпочитает блокировать функцию своего собственного навигационного процессора 105.

Фиг. 2F показывает альтернативный вариант осуществления модуля 202 радиомаяка, где возможность GNSS датчика может быть обеспечена, используя функцию 240 отдельного GNSS датчика. Например, отдельный GPS приемник с коррелирующим С/А кодом может быть интегрирован с модулем радиомаяка, обеспечивая непосредственный источник синхронизации и геодезической информации определения местоположения о модуле, привязывая локальное время и систему координат к универсальному синхронизированному времени (UTC) и мировой геодезической системе 1984 (WGS-84). GPS интегрированный модуль радиомаяка имеет значение как опорная точка WGS-84 и при облегчении развертывания настоящего изобретения по большим областям вне помещений, где эффективность может быть значительно улучшена посредством использования настоящего изобретения одновременно с GPS.

Интеграция настоящего изобретения с беспроводной сетью передач данных, например, как иллюстрируется в предыдущем ряде чертежей, обеспечивает гибкость для конфигурирования более оптимальных реализаций для конкретных приложений. Один пример является случаем, когда модуль радиомаяка конфигурирован без интеграции SCT или приемопередатчика беспроводных данных. Этот упрощенный радиомаяк передает сигнал измерения дальности в соответствии с данными конфигурации, загруженными до их использования. Эти радиомаяки могут быть развернуты в известных точках с целью повышения эффективности определения местоположения, когда дополнительная инфраструктура связи не требуется. Этот упрощенный вариант осуществления радиомаяка является существенно менее дорогим для создания, чем более полно интегрированная альтернатива.

Интегрированная с GNSS конфигурация.

Настоящее изобретение может быть легко адаптировано для одновременной поддержки сигналов измерения дальности от GNSS, a также локальных сигналов, переданных множеством RST. Фиг. 3 иллюстрирует логическую функциональную блок-схему, где восприятие GNSS объединено с настоящим изобретением. Функции настоящего изобретения, выше указанные как 102, 103, 105, 106 и 107, расширены на поддержку приема, обработки и управления дополнительными измеримыми величинами и данными альманаха, необходимыми для обработки GNSS-сигналов измерения дальности. В этом варианте осуществления SCT 103 принимает как GNSS 303, так и RST 101 сигналы измерения дальности одновременно на двух выделенных каналах, где каждый конфигурирован, чтобы поддерживать конкретные характеристики типа сигнала определения местоположения (любого из RST или GNSS, такого как GPS). SCT генерирует измеримые величины 110 и помечает эти данные данными конфигурации канала, так что информация может быть легко обработана навигационным процессором 105. Навигационный процессор предпочтительно расширен на поддержку одновременной обработки как RST так и GNSS данных измеримых величин. Измеримые величины могут быть обработаны в локальной системе координат или в некоторой фиксированной наземной системе координат, такой как WGS-84. Как и с реализациями, не поддерживающими GNSS, навигационный процессор формирует одну или более оценок 118 физического состояния для каждого из SCT наборов измеримых величин.

Чтобы поддерживать обработку измеримых величин GNSS, функции управления системой, включающие в себя компоненты 102, 106 и 107 на фиг. 3, расширены для управления информацией совокупности GNSS, такой как орбиты спутников, информация синхронизации, статус и т.д. Информация совокупности GNSS и измеримых величин 301 собирается опорным приемником GNSS 302 или обеспечивается некоторым внешним источником (не показан) и представляется посредством коммуникационного сигнала 304 на системный контроллер, который форматирует эти данные для внутреннего использования и сохраняет их в базе данных 106. Данные 112 альманаха и коррекций, поданные на навигационный процессор, расширяют, чтобы включить в себя информацию относительно совокупности GNSS и текущих коррекций измеримых величин GNSS в дополнение к RST информации альманаха и коррекций, уже поданной. В случаях, когда GNSS приемник является частью модуля радиомаяка, описанного выше (фиг. 2Е), как информация совокупности радиомаяков, так и информация измеримых величин GNSS может использоваться процессором 107 опорной сети, чтобы дополнительно уточнить размещение радиомаяков и в конечном счете повысить прецизионность системы и точность.

Передача сигнала определения местоположения.

В то время как имеется множество структур сигнала определения местоположения, которые могут использоваться для реализации настоящего изобретения, предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения фокусируется на выборе сигналов, которые удовлетворяют следующим критериям: (1) включают в себя необходимые требования точности; (2) могут быть легко сгенерированы, (3) могут быть сконфигурированы для передачи во множестве РЧ или акустических режимов; (4) стойки к многолучевому распространению и шуму; и (5) обладают низкими помеховыми характеристиками по сравнению с другими сигналами измерения дальности RST в области излучения энергии. В предпочтительном варианте осуществления расширение по спектру в множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA) прямой последовательностью является предпочтительным способом формирования сигналов определения местоположения, где псевдослучайная шумовая (PRN) последовательность является кодом максимальный длины, выбранным из-за его низких взаимно корреляционных и автокорреляционных свойств.

В предпочтительном варианте осуществления передачи радиомаяка включают в себя ортогональность кода, так чтобы существенные интермодуляционные помехи не происходили в функциональном блоке задержки и перемножения спектрального компрессора. Эти свойства кода доступны из кодов Голда в GPS, но обычно ограничиваются 32 или 34 кодовыми наборами. Однако возможны альтернативные подходы к модуляции кода, например, структура GPS Р(Y) канала структурируется, используя очень длинную кодовую последовательность из 267 дней, которая имеет частоту следования элементов сигнала 10,23 МГц. В примере P(Y) канала семидневные сегменты этого очень длинного кода назначают каждому спутнику совокупности, причем вся совокупность спутников сбрасывает фазу кодовой последовательности в ее начальное состояние в полночь каждую субботу. Этот P(Y) код имеет свойства ортогональности кода, так что автокорреляция кода является нулевой всюду, кроме случая, когда смещение кода является нулевым или кратным 267 дням. В настоящем изобретении любой длинный код с минимальной автокорреляцией, включая генерацию P(Y) кода, может быть конфигурирован, после чего сегменты назначают на каждый из радиомаяков.

Множество радиомаяков могут работать в случайные моменты времени и взаимная корреляция между этими радиомаяками, по существу, равна нулю. Например, генератор псевдослучайной шумовой (PRN) последовательности с регистром сдвига с 25 отводами в цепи обратной связи будет иметь разрядность кода приблизительно длиной в 34 миллиона элементов кода. Принимая частоту следования элементов сигнала равной 10,23 МГц, должно потребоваться 3,3 секунды, чтобы повторить этот код.

Фиг. 4А показывает логическую функциональную блок-схему передатчика сигнала измерения дальности (RST) 101, который реализует функции генерации сигнала, описанные выше. RST использует многоканальный генератор 406 сигнала измерения дальности, чтобы сформировать конкретный сигнал измерения дальности в соответствии с требуемыми характеристиками. Этот сигнал затем используется, чтобы модулировать 404 промежуточную частоту, сформированную синтезатором 405 сигнала. В зависимости от конфигурации результирующий сигнал фильтруется посредством 408 (для разрешения передачи или верхнего диапазона, или низкого диапазона или обоих) и передается на цифро-аналоговый преобразователь 410. Результирующий аналоговый сигнал преобразуют с повышением частоты 411 в РЧ диапазон, используя частоту, сформированную синтезатором 409 сигнала.

Преобразованный с повышением частоты РЧ сигнал пропускают через фильтр верхних частот 412, усиливают 413 и передают. RST контроллер управляет конкретной конфигурацией 403 RST модуля. Каждая из функций модулей предпочтительно является программируемой, что обеспечивает преимущество расширенной гибкости. RST может быть запрограммирован передать ряд различных структур сигнала измерения дальности на различных РЧ частотах. Эта логическая структура для передатчика сигнала измерения дальности имеет много возможных вариантов в зависимости от конкретного проекта реализации и требуемых оптимизаций. Предпочтительный вариант осуществления для RST должен сбалансировать стоимость, точность и гибкость.

Фиг. 4В показывает логические функциональные блоки для многоканального генератора 406 сигнала измерения дальности. В этом варианте осуществления настоящего изобретения генератор имеет два программируемых канала 432 и 436, которые управляют цифровым модулятором фазовой манипуляции с квадратурными сигналами (QPSK), модулирующим сигнал ПЧ, сформированный синтезатором 433 цифрового сигнала. Выходным сигналом модулятора является цифровой сигнал 438 измерения дальности с расширенным спектром, центрированный на ПЧ частоте. Каждый канал (432 и 436) предпочтительно содержит цифровой генератор 434 синхронизирующих элементов сигнала, который является программируемым по частоте и фазе, который управляет генератором 435 PRN последовательности. Генератор PRN последовательности может быть запрограммирован для множества различных кодовых последовательностей максимальной длины и смещений в пределах последовательности. Первый канал 432 предпочтительно выбран как грубый канал и второй канал 436 как точный канал. Каналы 433, 434 и 436 привязаны к обычному внешнему опорному генератору, чтобы гарантировать фазовую когерентность. Контроллер 430 управляет конфигурацией генератора и обеспечивает упрощенный интерфейс 431 для конфигурирования функции.

Обработка сигналов измерения дальности.

Фиг. 5А и 5В иллюстрируют внутренние функции SCT 103, описанного выше, и являются предпочтительным вариантом осуществления для обработки сигналов определения местоположения в измеримые величины, необходимые для определения физического состояния. В этом варианте осуществления настоящего изобретения SCT обрабатывает сигналы измерения дальности с расширением по спектру прямой последовательностью, такие как сигналы измерения дальности RST 101 и сигналы измерения дальности, переданные GNSS спутниками (например, GPS С/А и передачи P(Y) L1/L2) одновременно. Способ, показанный в иллюстрируемом примере, использует способы сжатия по спектру, которые позволяют сжимать подходящим образом структурированные сигналы измерения дальности в измеримые величины (например, амплитуду, частоту, фазу и временную привязку) без требования сложных способов обработки сигналов взаимной корреляции, которые являются обычными в обычных системах связи с расширенным спектром. При наличии одного канала способ сжатия по спектру допускает одновременное сжатие всех сигналов определения местоположения с общими характеристиками в набор измеримых величин. SCT может предпочтительно реализовывать множество каналов, допуская сжатие множества типов сигналов измерения дальности в один и тот же или различные диапазоны одновременно. Посредством этого механизма функциональный блок способен принимать и обрабатывать как RST, так и GNSS сигналы измерения дальности одновременно без потери непрерывности, когда SCT переходит из одной среды в другую.

Хотя сжатие по спектру является предпочтительным вариантом осуществления для обработки перехваченных излучений, альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использовать аналогичные способы взаимной корреляции, такие как GPS, для формирования кодофазовых измеримых величин для радиомаяков и GNSS спутников. Использование этих типов датчиков, необходимых для формирования таких кодофазовых измеримых величин может быть более сложным и дорогим в осуществлении; однако в некоторых приложениях такая альтернативная методология может быть желательной, если, например, потребности требуют, чтобы датчик был способен декодировать информацию, внедренную в передачи сигнала измерения дальности.

На фиг. 5А подходящим образом структурированные сигналы измерения дальности или любое подходящее излучение энергии перехватывают спектральным компрессором транслятором (SCT) в антенне РЧ 504, которая подсоединена к входному каскаду 501 SCT, который состоит из малошумящего усилителя (LNA) 503 и каскада 502 преобразования с понижением РЧ частоты. Если необходимо, множество входных каскадов 501 могут быть осуществлены, чтобы поддерживать множество диапазонов. Например, SCT может быть конфигурирован, чтобы поддерживать один RST/ISM диапазон, центрированный в 915 МГц, и GPS L1 диапазон, центрированный в 1575,42 МГц, или L2 диапазон, центрированный в 1227,6 МГц. Выход входного(ых) каскада(ов) 501 - это аналоговый сигнал, который подается на каскад 505 аналого-цифрового преобразования (АЦП), который обеспечивает цифровой выходной сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Как описано более подробно ниже, предпочтительно, чтобы АЦП имел достаточный динамический диапазон, чтобы обеспечить множество радиомаяков с сильно различающимися уровнями сигналов. Оцифрованный сигнал ПЧ 506 передают к одному или более канальных процессоров 507 SCT, которые формируют измеримые величины 513 для обработки физического состояния (например, навигации). Как входной РЧ каскад(ы) 501, так и канальный(ые) процессор(ы) 507 SCT управляются и синхронизируются контроллером 508 SCT. Этот контроллер SCT передает сообщения 509 управления на РЧ контроллер 501 и на канальный(ые) процессор(ы) 507 SCT посредством сообщений 510 конфигурации канала. Множество канальных процессоров SCT может использоваться, чтобы полностью фиксировать все доступные измеримые величины определения местоположения, обеспеченный сигналами измерения дальности.

Например, SCT, конфигурированный для работы и в ISM диапазоне и в GPS L1, может использовать пять канальных процессоров SCT, назначенных на один из следующих сигналов измерения дальности: ISM RST грубый канал, ISM RST канал точности, GPS L1 канал С/А, GPS L1 P(Y) канал и GPS L2 P(Y) канал. Каждый из этих каналов формирует измеримые величины, если присутствует назначенный сигнал измерения дальности.

Фиг. 5В описывает предпочтительные функциональные возможности канального процессора 507 SCT. Канальный процессор SCT управляется посредством функционального блока 524 захвата и управления данными канала, который принимает информацию 530 синхронизации. Цифровой сигнал 506 промежуточной частоты сначала обрабатывается посредством фильтра 521 защиты от наложения спектров, чтобы удалить побочные или внеполосные сигналы. Фильтрованный выходной сигнал из 521 посылают через процесс 522 задержки и умножения. Задержка и умножение 522 разбивает фильтрованный цифровой сигнал 506 промежуточной частоты на два компонента, один из которых является синфазным и другой задержанным на интервал, эквивалентный половине частоты следования элементов сигнала с расширенным спектром модуляции радиомаяка (например, 49 нс для точного канала 10,23 МГц и 5 мкс для грубого канала 0,1 МГц). Задержанный сигнал смешивают (умножают) на синфазную версию сигнала 521, который восстанавливает частоты следования элементов сигнала всех радиомаяков 101. Эти восстановленные сигналы пропускают через фильтр/преобразователь с понижением частоты основной полосы частот 523, где они временно сохраняются в буфере 525. Буферизированные данные обрабатывают быстрым преобразованием Фурье 526, и пики, соответствующие идентифицированным сигналам радиомаяка, идентифицируют посредством пикового детектора 527. Измеримые величины от сигнала 529 каждого радиомаяка состоят из амплитуды, частоты и фазы, а также времени наблюдения.

Сжатие по спектру сигналов GPS используют, так как каждый спутник осуществляет вещание уникального PRN кода так, чтобы произведение взаимной корреляции каждой PRN последовательности было по существу равно нулю. Поскольку Земля вращается, и спутники находятся на орбитах с периодом двенадцать часов, имеется доплеровский сдвиг вдоль луча визирования приемника. Из грубого знания времени и орбит GPS можно предсказать, какой доплеровский сдвиг связан с каждым отдельным спутником. Бескодовая операция, например, которая описана в патенте US4797677, допускает восстановление частоты следования элементов сигнала каждого из спутников посредством операции задержки и умножения в отношении широкополосного сигнала от всех спутников. Используя обработку быстрым преобразованием Фурье (FFT, БПФ), каждая получающаяся спектральная строка затем связывается с конкретным спутником.

Настоящее изобретение обеспечивает способ обнаружения сигнала, который является доступным по сравнению с буферизацией захваченного предварительно обнаруженного широкополосного сигнала и передачи для обнаружения взаимной корреляции, что является VLBI подходом или обработкой предварительно обнаруженной взаимной корреляции обычных систем с расширенным спектром. Цифровые свойства PRN последовательностей являются такими, что не имеют автокорреляционных совпадений за исключением того, когда коды почти совпадают (в пределах половины времени элемента сигнала). Например, если частота следования элементов сигнала 10,23 МГц, коды обязательно находятся, выровнены в пределах интервала 49 нс, чтобы создать ситуацию с помехами. Те же самые PRN последовательности могут быть переданы всеми радиомаяками при условии, что они совместно не используют одно и то же время начала PRN последовательности и частоту следования элементов сигнала. Ни одно из этих условий не должно быть вероятно достигнуто с произвольными начальными условиями и недорогими свободно запускаемыми эталонными генераторами.

Соответственно, в подходе обнаружения с задержкой и умножением согласно настоящему изобретению каждый из радиомаяков с расширенным спектром предпочтительно сжимают в спектральную линию при частоте следования элементов сигнала радиомаяка. Чтобы избегать сворачивания спектральных линий частоты следования элементов сигнала в одну и ту же частоту (например, 10,23 МГц), каждый радиомаяк имеет свое собственное значение смещения по частоте, или выше, или ниже номинального значения 10,23 МГц. Величина смещения управляется точностью опорной частоты, доступной в радиомаяках. Например, используя опорный генератор с точностью 2РРМ, частота, как ожидается, должна быть в пределах +/-20 Гц при 10,23 МГц. Учитывая, что смежные каналы радиомаяка могут иметь ошибку на аналогичную величину возможно с противоположным знаком, то дополнительная защитная полоса требуется для каждого радиомаяка. Например, разнесение каналов на 50 Гц может рассматриваться адекватным разделением, учитывая, что смежные каналы радиомаяка могут двигаться в противоположные в алгебраическом смысле стороны и затем радиомаяки могут быть отделены только 10 Гц. Шаблон смещения частоты устанавливается значением (50 Гц ×N), где N - нечетное.

В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения для высокой точности и робастности традиционная схема обработки взаимно корреляционных сигналов может использоваться вместе со способами сжатия по спектру, описанными здесь. В этом варианте осуществления сжатие по спектру обеспечивает средство для получения информации о физическом состоянии, необходимую, чтобы допустить быструю фиксацию корреляции для каналов корреляции без поиска. Учитывая использование очень длинных кодовых последовательностей и повторное использование одних и тех же смещений последовательностей во времени, способ сжатия по спектру, описанный в этом изобретении, минимизирует потребность в осуществлении сложных способов поиска. Посредством введения возможности взаимной корреляции, особенно для канала точности, настоящее изобретение пользуется преимуществом улучшенного соотношения сигнал/шум и доступа к данным фазы и частоты несущей, которые в некоторых приложениях (например, системах прецизионной посадки самолетов) могут быть требуемыми возможностями. Однако с введением возможности отслеживания корреляции стоимость датчика приемника значительно увеличивается и может ограничивать его использование по сравнению с реализацией, использующей только сжатие по спектру.

Обработка данных навигации.

Предотвращение достижения системами с высокой точностью по времени и частоты когерентности по фазе элементов приема достигается настоящим изобретением, предпочтительно вынуждая все SCT наблюдать все радиомаяки в течение одинакового относительного интервала. В этом варианте осуществления FFT временная последовательность дает одну спектральную линию для каждого принятого сигнала радиомаяка.

Посредством дифференцирования измеримых величин от известных опорных SCT, конкретные фазовые и частотные смещения всех радиомаяков являются синфазно погашенными в этой отдельной обработке дифференцированных данных в пользу единственного смещения фазы и угловой скорости (смещение по частоте) конкретного SCT относительно опорного SCT. В одном примере с четырьмя или более радиомаяками, хорошо распределенными геометрически вокруг и опорного и удаленного SCT, можно определить физическое состояние относительно физического состояния опорного SCT.

В альтернативном варианте осуществления эквивалентные результаты полученным в описанных выше подходах могут быть достигнуты, формируя информацию альманаха и коррекции в центральном опорном местоположении посредством процессора опорной сети или посредством оценки физического состояния каждого радиомаяка относительно по меньшей мере одного опорного SCT и последующего применения предварительно вычисленной информации альманаха и коррекции в течение оценивания физического состояния при заданных измеримых величинах от SCT. Этот подход является предпочтительным, когда время применимости для данных альманаха и коррекций больше, чем разность между временем альманаха и периода, для которого собираются измеримые величины второго SCT. Время применимости является функцией стабильности RST и опорных SCT генераторов, конфигурации системы и требуемой системной эффективности. При подходе с распределенной архитектурой оценка физического состояния навигационным процессором может иметь место в SCT, RST-радиомаяке или в любом другом удобном местоположении, таком как процессор управления.

Фиг. 6 иллюстрирует вариант осуществления навигационного процессора, который обрабатывает измеримые величины, сформированные посредством SCT, и формирует оценки физического состояния. Способ согласно этому варианту осуществления включает в себя управление контуром обратной связи, в котором решения одного периода подаются на следующий. Априорная информация 611 о состоянии используется для инициализации вектора 601 состояния SCT, обеспечивая наилучшую оценку параметров физического состояния для этого SCT. Вектор 601 состояния SCT предпочтительно также инициализируется динамической моделью 602 SCT, которая содержит информацию о меняющихся во времени параметрах состояния, таких как скорость смещения по времени и по частоте, и посредством вывода оцененного состояния 606 от предыдущего периода, как вычислено стабилизированным фильтром 605 Калмана. Обновленный вектор состояния 601 передается как оценка 118 физического состояния, которая в свою очередь используется для инициализации динамической модели 602 SCT и модели 604 наблюдений RST. Модель 604 наблюдений RST создает элементы изменения состояния, требуемые для фильтра Калмана, а также создает невязки 610 или разность между наблюдаемыми и вычисленными значениями, которые фильтруются в фильтре 605 Калмана. Модель 604 наблюдений RST управляет тем, обработаны ли данные в дифференциальном смысле с SCT измеримыми величинами 110, являющимися разностными с наблюдениями 111 опорного SCT, или если измеримые величины 110 SCT скорректированы посредством объединения их с поправочными коэффициентами 112, определенными опорной сетью. Если GNSS данные доступны, так как SCT имеет не загороженный препятствиями вид неба, обработка продолжается в смешанном подходе в фильтре 605 Калмана с невязками 610, вычисляемыми в эквивалентной модели 603 GNSS наблюдений. В этих примерах, измеримые величины 110 SCT содержат как RST данные, так и GNSS спутниковые данные, и эти измеримые величины SCT используются в модели 603 GNSS наблюдений.

Опорная сеть.

Фиг. 7 иллюстрирует вариант осуществления опорной сети, которая формирует обновленные данные альманаха и коррекции опорной точки (например, радиомаяков или GNSS спутников) для использования системой в последующей оценке физического состояния для других SCT. Входными данными к процессу опорной сети является априорная информация 705 конфигурации системы, которая является наилучшим представлением состояния системы. Фактические измеримые величины 113 SCT и данные 112 альманаха используются для распространения элементов физического состояния. Они все предпочтительно используются для инициализации фильтра 700 обработки зоны, который определяет физическое состояние, включающее в себя позицию радиомаяков, и формирования данных 114 альманаха и коррекции данных для полной сети радиомаяков в пределах заданной зоны. Как требуется для оптимизации эффективной калибровки и управления системой, зоны могут быть определены так, чтобы группа нескольких RST и опорных SCT была расположена вблизи друг друга. Конфигурация и управление на основе зоны расширяют гибкость конфигурации и уменьшают накладные расходы обработки в обработке опорной сети. В фильтре 700 обработки зоны единственный навигационный процессор 105 или множество навигационных процессоров формируют обновления оценки физического состояния для всех SCT. Множество процессоров могут быть объединены в смысле объединенного фильтрования, при котором множество навигационных процессоров 105 одновременно обрабатывают наборы данных, которые имеют пересекающиеся наборы данных. Эти множественные оценки объединяются фильтром-объединителем 702, который создает составную оценку. Сам фильтр-объединитель 702 может быть фильтром Калмана или другим фильтром оценки состояния или может быть основан на статистическом процессе объединения. Процессор опорной сети может быть также ответственным за калибровку сети, по существу, посредством определения физического состояния для всех опорных точек, и сообщения о них в обновленном состоянии 706. Элементы коррекции калибровки предпочтительно отформатированы и сохранены в базе данных блоком 703 форматирования коррекций альманаха и доступны для использования в другом месте в системе.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения калибровка зон может быть выполнена посредством выборочного изменения режима работы радиомаяка RST. Сначала радиомаяк RST передает сигнал измерения дальности; однако время от времени он может прервать свою передачу так, чтобы он мог принимать сигналы, используя интегрированный опорный SCT. При работе в качестве приемника радиомаяк RST прослушивает другие передающие радиомаяки в зоне. В пределах каждой зоны множество радиомаяков могут периодически слушать другие радиомаяки в пределах совокупности, так чтобы сформировать дополнительные измеримые величины, которые добавляют мощность к оценкам, сформированным фильтром опорной сети. Фильтр опорной сети обрабатывает эти данные, чтобы обновить текущую конфигурацию состояния альманаха для каждого радиомаяка. Несколько способов управления режимом работы радиомаяка (или передачи или приема) возможны и должны балансировать точность калибровки эффективности всей системы. В предпочтительном варианте осуществления достаточно радиомаяков могут быть развернуты так, что возможно одновременно калибровать и использовать систему без неблагоприятного воздействия на эффективность или требуемую точность. Длительный период начальной калибровки может требоваться при развертывании системы впервые и добавлении новых зон. В этих случаях шаблон калибровки может быть использован, где множество радиомаяков RST циклически переходят от режимов передачи к приему так, что множество независимых измерений могут быть сделаны так, что систематические ошибки уменьшаются. После калибровки система проверяется и непрерывно калибруется, используя способ "на лету", чтобы обновлять коэффициенты состояния генератора и подтверждать размещение радиомаяков. Контроль также обеспечивает полезные данные для определения общего здоровья и точности системы.

Способы обработки физического состояния.

Фиг. 8 иллюстрирует два способа определения физического состояния для SCT, заданного априорно набора информации альманаха и коррекций и измеримых величин из опорного SCT. На фиг. 8А измеримые величины из опорного SCT 805 используются, чтобы вычислить коррекцию 807 в реальном масштабе времени, которая, когда применяется для коррекции оцененного физического состояния, должна быть фактическим состоянием, как определено альманахом для опорного SCT 805. Вектор коррекция используется, чтобы вычислить коррекцию физического состояния для каждого RST 801, 802, 803, которая затем используется для коррекции процесса оценки физического состояния для SCT-B 804. Альтернативная, но эквивалентная форма, использующая дифференциальную (разностную) оценку, показана на фиг. 8В. Измеримые величины, сформированные опорным SCT 820, дифференцируются с измеримыми величинами, сформированным SCT-B 821, которые используются для вычисления относительного физического состояния 822. Суммирование относительного физического состояния к опорному физическому состоянию для SCT 820 формирует физическое состояние для SCT-B 821.

Для систем, где немоделированная ошибка является незначительной, эти два способа являются по существу эквивалентными; однако дифференциальный способ на фиг. 8В должен иметь тенденцию быть более точным, когда немоделированная ошибка является существенной из-за ослабления синфазного сигнала вкладов ошибки для каждого RST. Автономный способ согласно фиг. 8А может быть менее точен, но имеет преимущество в лучшей масштабируемости, так как нет необходимости обрабатывать измеримые величины для опорных SCT посредством каждой оценки физического состояния. Вместо этого они могут быть вычислены однократно и отформатированы в коррекции, которые легко применяются к последующей обработке, пока они применяются в течение времени применимости.

Конфигурации развертывания.

Фиг. 9 иллюстрирует иллюстративный пример трехмерного определения местоположения, в котором SCT модули располагаются посредством перехвата излучения от RST, размещенных в некомпланарной конфигурации. В этом варианте осуществления опорный SCT 904 перехватывает излучения от RST 901, 902 и 905, которые находятся в одной и той же горизонтальной плоскости. Дополнительно, излучения перехватываются посредством SCT 904 из RST 906, который расположен в плоскости ниже опорного SCT 904. Дополнительно, второй SCT 903 перехватывает излучения от четырех RST 901, 902, 905 и 906. Тот факт, что радиомаяки не обязательно располагаются в одной и той же плоскости, что и датчики SCT, допускает вертикальное и горизонтальное определение местоположения SCT модулей 903 и 904, приводя к трехмерной позиции при заданной предпочтительной геометрии.

Фиг. 10 иллюстрирует один возможный сценарий развертывания согласно настоящему изобретению, используя оба локально развернутых RST вместе с GNSS спутниками для обеспечения оценки физического состояния как в GNSS, затрудненных препятствиями, так и свободных от препятствий случаях, содержащими три рабочие среды: затрудненная препятствиями GNSS среда, полузатрудненная препятствиями GNSS среда и свободная от препятствий GNSS среда с краевой зоной. Фиг. 10 иллюстрирует плавный переход от решения по глобальной области вне помещения, используя GNSS, к системе по всей локальной области, где спутниковые сигналы GNSS являются полностью затрудненными препятствиями. Хотя упрощено до 2-мерной иллюстрации с целью раскрытия изобретения, эта иллюстрация реализации варианта осуществления настоящего изобретения одинаково применима к трехмерному развертыванию. Физическое состояние содержит два параметра состояния позиции: горизонтальное смещение и вертикальное смещение.

SCT-A 1007 работает в затрудненной препятствиями среде, получая оценки физического состояния, используя перехваченные излучения от RST 1005, 1006 и 1008 способом, описанным выше. Сигналы 1002 GNSS спутника или поглощаются или отражаются структурой 1013 так, что уровень сигнала в SCT 1007 является слишком слабым, чтобы обеспечить полезные измеримые величины. Опорный приемник GNSS 1003 развернут на структуре 1013 с целью сбора совокупности и коррекций измеримых величин, которые сохранены в базе данных (не показана) для последующего использования навигационными процессорами (не показаны).

Следующая ситуация на фиг. 10 - это полузатрудненная препятствиями GNSS среда, где SCT 1009 принимает сигналы от GNSS и RST. В этом примере видимыми являются недостаточное количество спутников (только два), чтобы получить оценки физического состояния; сигналы измерения дальности спутника 1001 блокируются, чтобы быть видимыми структурой 1013. Используя настоящее изобретение, SCT 1009 перехватывает излучения от RST 1006, 1008 и 1010 для определения местоположения и с добавлением от двух видимых GNSS спутников. Это значительно улучшает точность и прецизионность оценки физического состояния. Информация совокупности спутников, собранная опорным приемником GNSS 1003, обеспечивает информацию орбиты спутников, используемую для оценки физического состояния, используя измеримые величины GNSS. Соответственно, этот вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает преимущества, связанные с увеличением охвата GNSS в полузатрудненных препятствиями средах.

Свободная от препятствий GNSS среда на фиг. 10 представлена SCT 1011. В этом примере GNSS обеспечивает адекватный охват (представленный здесь тремя спутниками, хотя могут присутствовать дополнительные спутники) для оценки физического состояния. Только один RST 1010 является видимым, что недостаточно для формирования используемой оценки физического состояния посредством одного его. SCT 1011 собирает данные измеримых величин от GNSS и RST и использует беспроводную сеть (не показана), чтобы обработать измеримые величины в оценку физического состояния.

Альтернативные приложения настоящего изобретения.

В этом разделе представлены конкретные приложения системы, чтобы проиллюстрировать некоторые из многих ожидаемых применений этой технологии. Все эти приложения возможны с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; они только иллюстрируют альтернативы, кратко описанные настоящим изобретением, и как предполагается, не означают исключительный набор возможных приложений.

Применение при сканировании интегрированного штрихового кода.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает интеграцию SCT коммуникационного модуля со сканером штрихового кода. Когда штриховой код, ассоциированный с объектом, сканируется, время и позиция поддерживаются как запись последних известных места и времени, когда этот объект наблюдался. Для описи и складской логистики это применение настоящего изобретения допускает трехмерное внутреннее отслеживание элементов фактически без расхода на маркировку объекта его собственным SCT коммуникационным модулем. Сканирования штрихового кода с маркированными позициями предлагают альтернативный подход к реализации полной системы отслеживания RFID и определения местоположения, где размер и/или стоимость отслеженного актива не оправдывают дополнительный расход.

Применение интегрированного пассивного считывающего устройства тэга RFID.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает интеграцию SCT с пассивным считывающим устройством тэга RFID. Когда считывающее устройство тэга RFID обнаруживает пассивный тэг RFID, местоположение считывающего устройства во время этого обнаружения ассоциируется с отсканированным потоком данных RFID, чтобы обеспечить приблизительное местоположение тэга RFID.

Дополнительно, дальнейшая улучшенная оценка позиции тэга RFID может быть определена посредством объединения информации относительно относительной мощности измеренных данных тэга с местоположением и пространственным расположением считывающего устройства тэга.

Приложения для внутренней/наружной логистики.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривают преимущества в логистике при смешанной транспортировке, проектировании и конструировании. Такие приложения извлекают выгоду из отслеживания в реальном масштабе времени и управлении активами, перемещающимися в и из затрудненных препятствиями сред. Например, Zigbee или GNSS решение, интегрированное так, как указано в настоящем изобретении, допускают широкое использование этой технологии в определении местоположения и обмене с активами по всей ограниченной области в трех измерениях.

Настоящее изобретение также уникально подходит для этого данного применения при его свойственных возможностях самоконфигурации и калибровки. SCT коммуникационный модуль, не больший, чем сотовый телефон, может использоваться, чтобы быстро обследовать множество точек, быстрее чем это возможно с теодолитной технологией или GNSS по одиночке. Дополнительно, при работе лазерного уровня подобным способом коммуникационный модуль SCT может определять горизонтальное и вертикальное выравнивание любого строительного компонента до субсантиметрового уровня относительно любой требуемой опорной точки.

Для логистики строительной площадки подобное устройство размером с сотовый телефон (потенциально также поддерживающее голос) может обеспечивать отслеживание в реальном масштабе времени людей и активов по всей строительной площадке конструкции, включая места, где основанное на GNSS решение ненадежно или полностью недоступно. С интегрированной телеметрией система становится мощным инструментом для координации и контроля действий строительной площадки. С поддержкой для ячеистой сети строительные площадки фактически любой формы и размера могут быть легко охвачены и управляться централизованно без текущих расходов на глобальное беспроводное решение (например, решение GSM/GPS).

Применения в области здравоохранения.

Альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения могут легко быть применены в области медицины. Например, SCT коммуникационный модуль, интегрированный или с Zigbee, или WiFi, может обеспечивать контроль в реальном масштабе времени пациентов и активов. Контролирующий и штат обслуживания пациентов нуждается в возможности расположить докторов, медсестер, пациентов и мобильное оборудование в пределах больницы. Пациенты с тяжелой умственной болезнью вызывают серьезное беспокойство, если они двигаются вне геовыделенной области, и система индикации тревоги может быть активизирована в таких ситуациях, чтобы ограничить дальнейшее перемещение пациента и обеспечить определение местоположения пациента для поиска штатом. Пациенты вне медицинского учреждения также могут быть легко обнаружены - критически важно, если они проводят существенное время вне выделенных областей, например, во время чрезвычайного управления или в ситуациях, когда количество пациентов превышает количество мест в больнице. Дополнительно, с поддержкой от сигналов GNSS, SCT коммуникационный модуль может уведомлять администраторов, когда пациенты покидают границы медицинского учреждения без разрешения или выписки. Это особенно полезно для отслеживания пациентов с болезнью Альцгеймера.

Альтернативно, другой вариант осуществления для применений в области медицины должен снабдить выбранных сотрудников переносным считывающим RFID устройством, оборудованным SCT так, что приблизительное местоположение пассивных тэгов может быть определено посредством осуществления выборки для данного случая. В этом варианте осуществления сотрудники могут продолжать свои обычные действия, когда оборудованное SCT считывающее устройство регулярно опрашивает пассивные тэги RFID, любые принятые ответы могут быть помечены текущим временем и местоположением, как вычисляется согласно настоящему изобретению.

Коммерческие применения определения местоположения.

С помощью объединенных возможностей для одновременной обработки как сигналов GNSS, так и сигналов локальной области RST настоящее изобретение допускает коммерческие применения определения местоположения с высокой точностью как в затрудненных препятствиями областях, так и там, где обычно обеспечены GNSS услуги (например, вне помещений).

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения должен оборудовать устройства связи потребителя, такие как сотовые телефоны и другие мобильные устройства функциями SCT, так что местоположение может быть определено как в больших географических областях, так и в ограниченных областях, таких как торговый центр. Оборудованное SCT коммуникационное устройство может использоваться для идентификации местоположения индивидуума, обеспечивая поставку специфического для местоположения контента, релевантного точному местоположению индивидуума. При минимальной стоимости настоящее изобретение выполняет как определение местоположения в глобальной области, так и определение местоположения в локальной области одновременно, выдавая информацию о точности и позиционировании, где один GNSS не способен функционировать. В отличие от современных коммерческих приложений определения местоположения, использующих услуг определения местоположения посредством GNSS/сети, этот альтернативный вариант осуществления согласно настоящему изобретению позволяет точно определить индивидуума с точностью порядка метра в закрытом помещении и вне помещения. Дополнительно, настоящее изобретение может плавно переходить от определения местоположения в локальной области к GNSS глобальной области без потери зоны. Например, при заданном хранилище, которое имеет развернутый массив модулей RST-радиомаяков с целью (определения) позиции, информация относительно выбора товаров и услуг в непосредственной близости может быть доставлена индивидууму с оборудованным SCT сотовым телефоном; эта информация может включать в себя рекламные объявления, информацию о продукте, талоны, статистику закупки и оценки. Дополнительно, в этом варианте осуществления система коммуникаций, уже поддержанная в устройстве, может использоваться для транспортировки относящегося к местоположению контента.

Применение для аварийных служб.

В такой ситуации, как после Катрины в Новом Орлеане, где не было региональных коммуникационных систем для выживания, настоящее изобретение с его интегрированной инфраструктурой коммуникаций может обеспечить сеть телеметрии и точное отслеживание первых ответчиков, транспортных средств, оборудования и других ключевых мобильных активов. В этом варианте осуществления коммуникационный SCT модуль интегрирован с Zigbee и Р25 VHF для формирования робастного определения местоположения локальной области и глобальной области и решения управления коммуникациями. Этот вариант осуществления позволяет обеспечить мониторинг спасателей в реальном масштабе времени, когда они входят в строения во время поиска и восстановления и предусмотреть региональный мониторинг вне помещений (посредством GNSS). Индикация аварии может быть запущена в случае отсутствия недостатка движения первого респондента, которое может быть указывающим на чрезвычайную ситуацию.

Применения для служб воздушного поиска и спасения (SAR).

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться для поисковых и спасательных операций. В одном примере два SCT коммуникационных устройства могут быть развернуты в бортовой среде (или освобождать летчиков или одного летчика и один буксируемый модуль). Каждое SCT коммуникационное устройство сконфигурировано так, чтобы обрабатывать сигналы GNSS одновременно с RST сигналами измерения дальности. Модуль радиомаяка развертывается с жертвой, местоположение которой должно быть определено. Модуль радиомаяка передает RST сигнал измерения дальности, который может быть принят в качестве служебных расходов. В некоторых ситуациях эта жертва может находиться глубоко в лесной среде, скрыта в снегу или в некоторой затрудненной препятствиями среде, которая препятствует нормальному использованию GNSS датчиков.

Наземный сегмент (GS) состоит из пары UAV контроллеров этих бортовых платформ и подсистемы двустороннего обмена Zigbee, которая управляет бортовыми операциями и извлекает измеримые величины SCT от UAV. Наземный сегмент также имеет обычный GNSS приемник, который допускает сбор информации об орбите и времени GNSS. Наземный процессор принимает Zigbee прямые линии связи, определяет динамическое разделение по базисным векторам между SCT коммуникационными устройствами, разность фаз радиомаяка, и получает пересеченные гиперболоиды, что дают наземное местоположение радиомаяка, которое связано с жертвой под развалинами (то есть, лавиной или разрушенным строением).

Эти UAV могут быть самолетом очень маленькой модели, который может рассматриваться как расходуемые активы в зависимости от обстоятельств. Минимум два UAV, летящих в области, представляющей интерес, являются достаточными, чтобы дать возможность найти радиомаяк с точностью до несколько метров после нескольких минут полета над общей областью, представляющей интерес. Когда SAR-группа прибывает в общую область, которая указана бортовым сегментом, SCT приемник носимого типа, как описано в настоящем изобретении, может использоваться в режиме обнаружения полной мощности, который обеспечит управление с уровнем точности до метра для откапывания и осуществления фактических спасательных операций.

Фиг. 11 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления, в котором настоящее изобретение используется для поисковых и спасательных операций. В этом варианте осуществления излучатель 1104 RST сигнала помещается с активом или человеком, который должен быть отслежен и местоположение которого должно быть определено в случае, если требуются поиск или спасение. Радиомаяк RST формирует сигналы 1101 измерения дальности, которые перехватываются SCT модулями 1102 и 1103, расположенными на беспилотных воздушных транспортных средствах или других летающих платформах. При использовании способов, описанных выше, определяют значения измерений 1106 и 1107 дальности между летающими платформами 1102 и 1103 и активом 1104, местоположение которого должно быть определено. UAV 1102 и 1103 также одновременно принимают данные от совокупности 1101 GNSS спутников, которая может использоваться для автономного определения местоположения в момент времени, когда они перехватывают RST сигналы 1101 измерения дальности. Каждое измерение дальности, объединенное с местоположением наблюдающих SCT, формирует гиперболическую дугу возможного местоположения излучателя. Например, если местоположение UAV 1102 известно из GNSS данных 1101, и дальность 1106 определена между UAV 1102 и излучателем 1104, можно говорить, что излучатель расположен на гиперболической дуге позиции 1108. Одновременное наблюдение второй такой дуги 1109 может использоваться для определения местоположения излучателя 1104, который лежит на одном из двух возможных пересечений этих дуг 1108 и 1109. В поисковых и спасательных операциях одна из этих двух точек пересечения может вообще отвергаться как лежащая вне плоскости и актива, местоположение которого определяют.

Поддержка береговой станции и ближняя навигация.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения включает операции буксирования буксира и баржи в море и во время подхода к шлюзам. Радиомаяк допускает использование фазо-устойчивых GNSS датчиков на буксире при входе в шлюз и во множества точек на барже(ах).

Буксир будет обеспечивать опорный сигнал радиомаяка (возможно в ISM диапазоне 2,4 ГГц), для фазовой синхронизации с GNSS датчиками баржи. Буксир также имеет приемник 915 МГц ISM диапазона для приема первичного опорного сигнала от шлюза, если он был доступен. Шлюз также имеет GNSS приемник, управляемый опорным источником шлюза, который вещает сигналы на буксир и другие суда, как необходимо. Данные GNSS датчика также захватываются, используя тот же самый береговой генератор опорного сигнала. Опорный сигнал шлюза при 915 МГц может быть использован для фазовой синхронизации GNSS датчика буксира и затем опорным радиомаяком буксира на 2,4 ГГц, при фазовых синхронизациях с множеством GNSS датчиков на баржах. Если буксир находится вне диапазона этого берегового опорного сигнала 915 МГц шлюза, внутренний опорный сигнал буксира является источником для синфазной антенной решетки из GNSS датчиков на баржах. Данные всех GNSS датчиков с берега, баржи и буксира собираются и обрабатываются в буксире. Этот когерентный по фазе массив обрабатывается в реальном масштабе времени с точностью, лучшей чем 30 см, и в геоцентрической привязанной к Земле системе координат WGS 84. На борту буксира информация о позиции и скорости в зависимости от ситуации может быть доступна при управлении от "моста" буксира. Эта недорогая архитектура допускает формирование возможной системы, которая является недостижимой другими средствами.

Операции на орбите - материнский спутник с орбитальными дочерними спутниками.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя относительное определение местоположения дочернего спутника в пространстве, который является соорбитальным с другим основным спутником на высотах, где сигналы GNSS недоступны. Маленькие наномощные радиомаяки помещаются в родительский спутник в известных возможных местоположениях. Эти местоположения известных радиомаяков формируют систему координат для определения местоположения под-спутников. Все эти радиомаяки являются синхронизированными во времени и когерентными по фазе относительно внутреннего времени и источника опорной частоты родительского спутника. Дочерний спутник движется почти в окрестности родительского спутника. Измеримыми величинами являются диапазоны фаз от различных сигналов радиомаяка, достигающих дочернего спутника. Измеримые величины могут быть связаны обратной связью с родительским спутником для обработки. Четыре или более измеримых величин требуются для оценки трехмерной позиции дочернего спутника и для синхронизации дочернего внутреннего источника временной привязки. В зависимости от разделяющего расстояния между материнским/дочерним (устройствами) параметр GDOP будет иметь существенное значение, так как дочернее устройства имеет тенденцию просматривать это множество радиомаяков в качестве точечного источника на расстоянии приблизительно в двадцать раз большем максимального разделения между радиомаяками на родительском спутнике. Для максимального разнесения радиомаяков в пять метров в материнском спутнике и с точностью измерения дальности в несколько миллиметров в дочернем спутнике, трехмерная позиция дочернего спутника относительно материнского может быть оценена с точностью приблизительно 20 см на 100 м разделения между этими спутниками.

Недорогая трехмерная система обследования Земли.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться для недорогих систем обследования Земли. Используют общий радиомаяк для фазовой синхронизации со всеми GNSS датчиками, которые передают свои SCT данные на центральный процессор. Центральный процессор имеет спутниковые орбиты и GNSS время. Типы данных псевдодальности и фазы несущей обеспечивают миллиметровую точность для операций в масштабе километра. Систематические ошибки из-за многолучевого загрязнения помехами будут источниками, ограничивающими ошибки, для этого способа и могут быть смягчены специальными GNSS антеннами. На коротких базисных линиях, обычно включаемых в структуру локальной области, атмосферные ошибки от тропосферы и ионосферы будут синфазными самопогашающимися ошибками. Возможны конструкции системы наблюдения, которые могут уменьшить стоимость системы со многими инструментами на 70-90% относительно в настоящее время доступных приборов.

Система обеспечения точности взлета/посадки на борту воздушного судна с несущим винтом.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться для определения местоположения во время взлета и приземления воздушного судна с несущим винтом при работе в бортовых средах. Обычные основанные на GPS системы отслеживания содержат существенные ограничения для таких приложений из-за неспособности обычного приемника GPS декодировать поток данных навигации с частотой 50 бит в секунду, и из-за возможности помех от других бортовых систем навигации и связи. Технология согласно настоящему изобретению смягчает эти заботы посредством размещения радиомаяков RST на суперструктуре судна и SCT приемников на самолете. Эти система и способ не требуют декодирования потока данных, чтобы определить позицию радиомаяка для работы, и частота работы может быть отрегулирована, чтобы минимизировать помехи с другими системами. Дополнительно, быстрый период обновления согласно настоящему изобретению обрабатывает релевантную динамику и судна и самолета.

Подход увеличенной точности самолета с GNSS.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться для подхода увеличения точности самолета и операций приземления. Локальная RST сеть размещается вокруг взлетно-посадочных полос полосы приземления. Устройства SCT на борту самолета восстанавливают данные радиомаяка и используют эти данные для улучшения определения местоположения от GNSS или других средств. Эти данные могут быть обработаны в объединенном решении, и не имеется помех между системой радиомаяка RST и GNSS системами, потому что RST частоты являются настраиваемыми. Это применение может применяться для наземных взлетно-посадочных полос посадки самолетов и к бортовым приложениям, например размещение самолета-истребителя с морского авианосца. Частый период обновления, доступный с радиомаяком RST и SCT приемником, обрабатывает критические динамические данные такого самолета.

Другой альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения должен обеспечить быстрое размещение и возможность восстановления самолета без уверенности о сигналах GNSS. Этот вариант осуществления может функционировать без уверенности относительно сигналов GNSS, доступных для поддержки воздушных операций. Опорный SCT на взлетно-посадочной полосе обеспечивает данные калибровки радиомаяка RST, которые связаны обратной линией связи с самолетом. Самолет принимает данные калибровки наземных радиомаяков и опорных станций и обрабатывает оценку позиции и скорости самолета относительно наземной системы от нескольких радиомаяков вокруг взлетно-посадочной полосы. В этой конфигурации каждый самолет имеет свой собственный навигационный процессор и остается в "молчащем" режиме излучения.

Точность определения местоположения системы по горизонтали должна быть ограничена калибровками позиции радиомаяка RST расстоянием приблизительно 10 см. Поскольку эти радиомаяки RST будут иметь тенденцию быть планарными, горизонтальное снижение точности (HDOP, ГСТ) должно быть надежно около единицы; однако вертикальное DOP (СТ) для самолета должно быть в пределах коэффициента, равного 10-20. Поскольку система имеет высокую точность до нескольких сантиметров, вертикальная оценка точности самолета должна быть в пределах метра по широкому диапазону высот, когда самолет приближается к летной полосе. Размещение одного или более радиомаяков RST вне плоскости с остальной частью радиомаяков улучшит точность вертикальных оценок. В качестве резервного решения, когда самолет прибывает к высоте приблизительно 5 м, акустический RST может быть активизирован с SCT в акустическим режиме, который обеспечит точность по высоте в несколько сантиметров и с низкой вероятностью обнаружения, что позволит самолету выдавать световой сигнал для приземления.

Самолет может также нести три приемника радиомаяка, чтобы обеспечить возможность определения ориентации в пространстве. Эти антенны приемника ориентации в пространстве могут быть расположены на нижней стороне самолета, возможно в каждой законцовке крыла и в заднем конце фюзеляжа. Процессор самолета будет вычислять разность фаз прихода сигнала от каждого радиомаяка и будет способен определить ориентацию в пространстве самолета с точностью нескольких градусов в зависимости от конкретной геометрии самолета относительно наземных радиомаяков.

Наземная система мониторинга и отслеживания в аэропорте.

Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения может использоваться для наземных систем в аэропорте для мониторинга и отслеживания. В этом применении настоящее изобретение должно функционировать внутри строений, таких как ангары, и в областях с препятствиями, где одна GNSS навигация будет ненадежной. Когда самолет, который находился в замкнутом помещении в течение значительного периода времени, выходит из ангара, может требоваться значительный промежуток времени для GNSS приемников, чтобы начать определять местоположение. Это применение обеспечивает передачу данных о позиции и времени на такие приемники, и таким образом расширяет обнаружение "вторжения" на взлетно-посадочную полосу и изменение информации во избежание конфликтов. Дополнительно, это применение допускает централизованный мониторинг и безопасное развертывание базы данных отслеженных активов.

Аутентификация местоположения локальной области.

В другом альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения сигналы, переданные RST, могут использоваться для аутентификации местоположения SCT, посредством обработки наблюдаемых данных, зафиксированных SCT вместе с измеримыми величинами опорных SCT, чтобы определить, находится ли SCT в априорно известном местоположении SCT. Измеримые величины, собранные SCT, который должен быть аутентифицирован, содержат полезную информацию, уникальную для местоположения (характеристика (сигнатура) местоположения), которое может быть аутентифицировано с помощью наблюдения текущего состояния массива RST посредством опорного SCT и наблюдаемых ошибок в сигнатуре местоположения. Тот факт, что множество RST являются не синхронизированными и некогерентными по фазе в их частоте следования элементов сигнала PRN относительно друг друга, требует непрерывной калибровки массива RST, но вносит с этим атрибут защиты, в котором противник не может достаточно хорошо предсказать различные фазы кода или частоты следования элементов сигнала, чтобы достичь субметровой точности. Опорный SCT, который, как предполагается, должен быть защищен, будет воспринимать и сообщать, что фактически имеет место с массивом RST. Это является очень полезным атрибутом, потому что эти непредсказуемые особенности делают настоящее изобретение способом реализации аутентификации местоположения в средах с затрудненным GNSS. Дополнительно, возможность настоящего изобретения обрабатывать сигналы GNSS может также обеспечивать полученные посредством GNSS данные сигнатуры местоположения.

Соображения о конструкции.

Анализ уровней мощности передачи, потребление батареи, идентификации и дифференцирования сигналов радиомаяка и других характеристик был выполнен для предпочтительных вариантов осуществления. Они детализированы в следующих разделах, которые обеспечиваются исключительно для демонстрации настоящей реализации различных и альтернативных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Рассмотрение конструкции радиомаяка RST/SCT приемника.

Грубое значение собственного шума канального приемника, предполагая, что малошумящий усилитель имеет шум в 3 дБ, должно быть: мощность шума КТВ=(1,38 ×10 ^-23 Вт/Гц ∙К)(300 Кельвина)(2 ×10 ⁶ Гц)=8,2 ×10 ^-15 =-140 дБВт=-110 дБм.

Рассмотрим мощность 0,1 мкВт (1 ×10 ^-7 Вт) радиомаяка на расстоянии 3 км.

Поток от радиомаяка на расстоянии D, P _rec =P/(4piD ² ); P _rec =(1 ×10 ^-7 Вт)/4pi(3000) ² =9 ×10 ^-16 Вт=-150 дБВт=-120 дБм.

Мощность сигнала радиомаяка=-120 дБм.

После LNA (малошумящего усилителя) SNR=-120-(-110)=-10 дБ.

Процессор задержки и умножения (D &M) вычисляет квадрат сигнала и шума так, чтобы SNR D &M=-20 дБ.

Предполагая, что радиомаяк с частотой следования элементов сигнала 1,023 МГц и FFT-процессор SCT с временным рядом 1 с имеет ширину диапазона 1,0 Гц и эффективное значение коэффициента усиления процесса, Gp=2 МГц/1 Гц=63 дБ.

Полное SNR мощности системы=63 дБ-20 дБ=43 дБ или 22 дБВ амплитуда SNR=140:1.

Оценка FFT фазового шума - это обратная величина напряжения SNR, так фазовый шум=7 ×10 ^-3 рад=0,4 °=1 миллипериод.

Радиомаяк с частотой следования элементов сигнала PRN 1,023 МГц, 293 м длиной волны. Точность в 1 миллипериод обеспечит 30 см точность измерения фазы грубого канала.

Рассмотрим теперь, что значение собственного шума приемника точного канала, предполагая, что малошумящий усилитель имеет шум в 3 дБ, должно быть: мощность шума КТВ=(1,38 ×10 ^-23 Вт/Гц ∙К)(300 Кельвина)(20 ×10 ⁶ Гц)=82 ×10 ^-15 =-130дБВт=-100 дБм.

Рассмотрим мощность 0,1 мкВт (1 ×10 ^-7 Вт) радиомаяка на расстоянии 3 км.

Поток от радиомаяка на расстоянии D, P _rec =P/(4piD ² ); Р _гес =(1 ×10 ^-7 Вт)/4pi(3000) ² =9 ×10 ^-16 Вт=-150 дБВт=-120 дБм.

Мощность сигнала радиомаяка=-120 дБм. После LNA SNR=-120-(-100)=-20 дБ.

Процессор задержки и умножения (D &M) вычисляет квадрат сигнала и шума так, чтобы SNR D &M=-40 дБ.

Предполагая, что радиомаяк с частотой следования элементов сигнала 10,23 МГц и FFT-процессор SCT с временным рядом 1 с имеет ширину диапазона 1,0 Гц и эффективное значение коэффициента усиления процесса, Gp=20 МГц/1 Гц=73 дБ.

Полное SNR мощности системы=73 дБ-40 дБ=33 дБ или 16,5 дБВ амплитуда SNR=50:1.

Оценка FFT фазового шума - это обратная величина напряжения SNR, так фазовый шум=2 ×10 ^-2 рад=1,2 °=3,2 миллипериода.

Радиомаяк с частотой следования элементов сигнала PRN 10,23 МГц, 29,3 м длиной волны. Точность в 3,2 миллипериод обеспечит 9 см точность измерения фазы точного канала.

Требования к батарее питания.

Требования к мощности радиомаяка будут определяться цифровой схемой и не самой малой мощностью 0,1 мкВт, переданной радиомаяком. Радиомаяк будет требовать приблизительно 40 мВт, предполагая логику 1,8 В. Рассмотрим 3,3 В литий-марганцевую батарею емкостью 1500 мА ∙ч с напряжением, падающим до 1,5 В в течение 50 ч или приблизительно двух дней. Источником питания также могут быть батареи с подзарядкой от солнца, в ситуации вне помещения или питания от обычной сети электропитания здания с резервированием батарей, чтобы обеспечить непрерывные операции.

Идентификационная информация радиомаяка.

Идентификационная информация радиомаяка будет осуществляться по его смещению частоты от номинальной 1,023 МГц грубой частоты следования элементов сигнала канала с кратными 5 Гц смещениями разнесения между радиомаяками. Таким образом, для сотни радиомаяков процессор будет иметь полный интервал поиска +/-250 Гц с центром в 1,023 МГц. Как только конкретная частота следования элементов сигнала радиомаяка идентифицирована, процессор обратится к базе данных реестра, чтобы определить, какому человеку или активу был назначен идентифицированный тэг.

Аналогичной для точного канала идентификационная информация радиомаяка будет осуществляться по его смещению частоты от номинальной 10,23 МГц частоты следования элементов сигнала канала с кратными 50 Гц смещениями разнесения между радиомаяками. Таким образом, для сотни радиомаяков будет иметь полный интервал поиска +/-2500 Гц с центром в 10,23 МГц. Как только конкретная частота следования элементов сигнала радиомаяка идентифицирована, процессор обратится к базе данных реестра, чтобы определить, какому местоположению, человеку или активу был назначен идентифицированный тэг.

Реализация для ISM диапазона.

В альтернативном варианте осуществления описана РЧ реализация с каждым радиомаяком, передающим множество когерентных по фазе каналов с сигналами, расширенными по спектру прямой последовательностью. Например, чтобы достичь определения местоположения в пределах ограниченной среды, где устройство приемника имеет априорное известное местоположение в пределах 500 м, имеется канал с частотой следования элементов сигнала 1,023 кГц (длина волны 3 км). С датчиком местоположения, реализующим операцию задержки и умножения с сжатием по спектру и результирующим отношением сигнал/шум с амплитудой 20 к 1, фазовый шум должен быть 0,05 рад или 2,8 ° или 7,9 миллипериодов или 24 м.

Для второго канала с SNR, равным 20, и частотой следования элементов сигнала 1,023 МГц точность измерения фазы 2,4 м. Для третьего канала с SNR, равным 20, и частотой следования элементов сигнала 10,23 МГц точность измерения фазы 24 см. Для четвертого канала с SNR, равным 20, и частотой следования элементов сигнала 102,3 МГц точность измерения фазы 2 см.

Оцененное SNR, равное 20, является очень умеренным и эффективное SNR, равное 100, может быть более разумным. В этом случае более высокого сигнала канал с частотой следования элементов сигнала 10,23 МГц будет давать точность 5 см. В соответствии с действующими в США нормами ISM диапазоны равны:

5725-5875 МГц (150 МГц от центральной частоты 5800 МГц)

2400-2500 МГц (100 МГц от центральной частоты 2450 МГц)

902-928 МГц в области 2 (26 МГц от центральной частоты 915 МГц)

Местоположения радиомаяка могут быть выражены в системе координат WSG 84, чтобы поддерживать систему координат, непротиворечивую с GNSS. Таким образом, результирующие оценки физического состояния могут выражать позиции в структуре GNSS, как будто они имели чистые линии взгляда на GNSS спутники.

Приложение к определению местоположения в большой области.

В альтернативном варианте осуществления применение относится к области, определенной 100 ×100 м (10000 кв.м, 110000 кв.футов). Максимальное расстояние по горизонтали, на которое датчик определения местоположения может быть удален от радиомаяка, приблизительно 141 м. Рассмотрим структуру для системы сжатия по спектру с точностью измерения перехваченной фазы 3 см. При максимальной частоте следования элементов сигнала 10,23 МГц длина волны составляет 29,3 м. Точность 3 см требует точности измерения фазы 0,1% периода (0,36 °) или 6,3 мрад. Точность фазы в 6 мрад требует SNR 160 FFT амплитуды или 44 дБ мощности сигнала.

Соображения относительно передачи данных для настоящего изобретения.

В альтернативном варианте осуществления различные тестовые случаи могут быть описаны.

Тестовый случай: ISTAC 2002 Бескодовый GNSS топограф.

Собственный шум приемника, предполагая малошумящий усилитель с шумом 1,5 дБ, должен быть равен: мощность шума КТВ=(1,38 ×10 ^-23 Вт/Гц ∙К)(120 Кельвина)(2 ×10 ⁶ Гц)=3,3 ×10 ^-15 =-145 дБВт=-115 дБм.

Мощность канала GPS С/А=-130 дБм. После LNA SNR=-130-(-115)=-15 дБ.

Процессор задержки и умножения вычисляет квадрат сигнала и шума так, чтобы SNR D &M=-30 дБ.

FFT процессор с 40-секундной временной серией имеет ширину диапазона 0,025 Гц, эффективный коэффициент усиления процесса, Gp=2 МГц/0,025 Гц=79 дБ.

Полное SNR системы=79-30=49 дБ или 25 дБВ амплитуда SNR=316:1 в хорошем согласовании с фактической эффективностью канала С/А продукта ISTAC 2002 Бескодовый GNSS топографа.

Почти удаленное ухудшение в складской среде.

В альтернативном варианте осуществления может быть описано почти удаленное ухудшение в складской среде.

В самом близком диапазоне 1 нановаттный радиомаяк может быть в пределах 10 м от удаленного приемника.

Поток от радиомаяка на расстоянии D, P _rec =P _xmtr /(4piD ² ), P _rec =(1 ×10 ^-9 Вт)/4pi(10) ² =8 ×10 ^-13 Вт=-121 дБВт=-91 дБм.

Радиомаяк на удалении 141 м будет представлять -114 дБм, в то время как радиомаяк на удалении 10 м представит -91 дБм. Таким образом, проблема почти удаления является абсолютная величина -91 дБм минус -114 дБм=23 дБ. С 12-битовым аналого-цифровым преобразованием приемник будет иметь динамический диапазон 72 дБ и позволяет 49 дБ границы для размещения других относительно более мощных внутриполосных сигналов, которые могут сдвигать уровень шума.

Простота приемника.

Преимущество использования подхода с расширением спектра для радиомаяков должно излучать наименьшее количество мощности, сокращая требования мощности по постоянному току для радиомаяков, которые могут питаться от батареи, для работы в течение длительных периодов времени. Использование расширения спектра предоставляет высокий уровень устойчивости к сильным сигналам в полосе частот, которые иначе могут представлять существенные помехи с модальностью обычных сигналов.

Обобщенная архитектура системы и способ

Вышеприведенные описания различных вариантов осуществления этой системы и связанных способов для оценки физического состояния в конфигурированных средах показывают широкую применимость для множества разнообразных приложений. Система и способ, раскрытые и описанные выше, могут быть суммированы в нижеследующем описании обобщенной архитектуры, которая сокращает систему до ее канонической формы, по существу, составленной из излучателей, перехватчиков, реализующих сжатие по спектру, и блока оценки физического состояния, и охватывают большинство, если не все, возможные архитектуры выполнения.

Форма также раскрывает, что с помощью надлежащей структуры и конструкции предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть легко адаптирован для поддержки широкого спектра приложений, конфигураций и сред.

Фиг. 12 иллюстрирует каноническую форму предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, детализирующего существенные отношения между основными элементами системы. По меньшей мере один или более излучателей 1201 известны системе, которые излучают энергию, которая распространяется через среду передачи 1206. Эти излучения перехватываются по меньшей мере одним перехватчиком 1202 и обрабатываются по меньшей мере одним из способов сжатия по спектру спектральным компрессором 1205. Результирующие измеримые величины 1207 по меньшей мере от одного перехватчика передаются, по меньшей мере, некоторым средством связи на блок 1203 оценки физического состояния. Данные конфигурации 1208 и измеримые величины 1207 обрабатываются этим блоком оценки физического состояния, чтобы определить один или большее элементов относительной оценки физического состояния 1209 между по меньшей мере одним излучателем 1201 и перехватчиком 1202. Измеримые величины 1207 от множества излучателей могут использоваться для одновременных оценок множества элементов физического состояния, которые могут включать в себя позицию по X, Y и/или Z оси, ориентацию относительно некоторой оси, смещение сигнала синхронизации, и потенциально любые производные по времени.

Определение абсолютной оценки 1209 физического состояния требует назначения по меньшей мере одного излучателя или перехватчика в качестве опорной точки, которая имеет некоторый аспект его физического состояния, известный до оценки относительного физического состояния. Определение абсолютного физического состояния 1209 - это добавление относительного физического состояния к априорным физическим состояниям, определенным посредством опорных точек.

Одна или более опорных точек, определенных в пределах данных 1208 конфигурации, могут быть обработаны все вместе, чтобы сформировать локальную систему координат для информации определения местоположения и синхронизации. Предпочтительно все оценки 1209 физического состояния сообщаются в пределах этой системы координат. Дополнительно, опорные точки могут быть связаны 1210 и 1211 с эталонной системой координат 1204 в пределах данных 1208 конфигурации. Посредством этих ассоциаций оценки, определенные во внутренней системе координат, могут быть преобразованы к внешней системе координат.

Например, в приложениях внутри помещений множество радиомаяков (например, излучателей 1201) сначала калибруют так, что комбинация данных конфигурации и системных данных калибровки дает возможность установить радиомаяки в качестве опорных точек для оценки физического состояния датчика определения местоположения (например, перехватчик 1202). Местоположение этих опорных точек затем определяют во внешней системе координат WGS-84. Это может быть выполнено любым количеством способов посредством исследования или посредством прямого измерения датчиками местоположения, поддерживающими прием GNSS сигналов излучения измерения дальности. При этих определениях внешних эталонных привязок может быть задана матрица преобразования, которая преобразовывает из внутренней системы координат во внешнюю систему координат WGS-84. В предпочтительном варианте осуществления три неколлинеарные опорные точки, связанные со внешними эталонными точками используются, чтобы установить трехмерное преобразование. Как только это выполнено, результирующая оценка физического состояния для датчика определения местоположения может быть сообщена во внешней системе координат. Сообщение периода времени во внутренних и внешних кадрах времени, таких как универсальное синхронизированное время (UTC), может быть выполнено таким же образом, используя время в опорных точках относительно внешней временной системы координат.

Некоторые излучатели могут быть известны системе, но не управляться этой системой и рассматриваться как внешние. Спутники GPS, квазары, спутники связи, телевизионные станции и автономные радиомаяки - все являются примерами опорных точек, чье существование может быть известно и контролироваться, но не управляться системой.

Таким же образом для определения канонической формы структурной схемы системы, связанная каноническая форма определяется для способа определения физического состояния в конфигурированных средах. Фиг. 13А показывает обобщенный способ определения физического состояния в конфигурированных средах, используя сжатие по спектру. Начиная с этапа 1301, по меньшей мере один излучатель излучает широкополосную энергию 1305 в среду распространения. Эти излучения перехватывают и обрабатывают на этапе 1302 по меньшей мере одним перехватчиком, который формирует измеримые величины 1306. Обработка 1302 применяет по меньшей мере один способ сжатия по спектру. Измеримые величины 1306 по меньшей мере от одного перехватчика обрабатывают на этапе 1303, чтобы определить оцененное относительное физическое состояние 1307 между по меньшей мере одним излучателем и перехватчиком. Эти оцененные относительные физические состояния передают на этапе 1304, приводя к сообщению физического состояния 1308, которое используется внешним образом. Это сообщенное физическое состояние может также использоваться, чтобы обновить 1310 данные конфигурации системы 1309, обеспечивая средство для калибровки и корректировки работы системы в ответ на изменения в состоянии различных перехватчиков и излучателей. Как определено данными конфигурации, физическое состояние 1308 может быть сообщено или относительно опорной точки, во внутренне определенной системе координат, или во внешней системе координат, как определено посредством внешне обеспеченной матрицей преобразования.

Из этого способа могут быть получены все изменения, и таким образом он служит, чтобы дополнительно пояснить существенные процессы при работе во всех вариантах осуществления настоящего изобретения. Важной выгодой этого обобщенного способа является та, что обработка определена без отношения к выполнению. Ограничения физического местоположения и связи между элементарными обрабатывающими элементами 1302, 1303 и 1304 являются просто функцией логической архитектуры системы, в которой реализован способ. Различные физические расположения средств обработки могут обеспечивать некоторые оптимизации, как требуется. Обрабатывающие блоки 1302, 1303 и 1304 наиболее часто физически организуются так, чтобы минимизировать полосу частот связи и уменьшать требования к мощности в отношении датчика определения местоположения, как описано выше.

Фиг. 13В иллюстрирует более подробно элемент 1302 перехвата и обработки из фиг. 13А. Широкополосные излучения 1305 энергии перехватывают на этапе 1311, приводя к перехваченным широкополосным излучениям 1314, над которыми выполняют некоторую нелинейную операцию 1312, которая формирует узкополосные данные 1315, содержащие изменяющиеся физические характеристики, необходимые для выполнения оценки физического состояния. Далее обработка выполняется на этапе 1313, на котором извлекают эти полезные изменяющиеся физические характеристики. Они приводят к измеримым величинам 1306 для перехватчика по меньшей мере для одного периода. Эти измеримые величины могут содержать по меньшей мере одну или более изменяющихся физических характеристик между перехватчиком и по меньшей мере одним излучателем. Для сжатия по спектру они наиболее часто представляются как частота, амплитуда и фаза для каждого перехваченного излучения с расширенным спектром и для каждого случая применения нелинейного способа. Каждая отличающаяся реализация нелинейной операции формирует канал, для которого множество широкополосных перехватов могут наблюдаться на этапе 1306. Конкретные нелинейные операции над перехваченными широкополосными излучениями 1314 на этапе 1312 для перехватчика могут включать в себя, но не ограничиваться ими: возведение в квадрат, где 1314 умножается на самого себя; задержку и умножение, где 1314 умножается на версию задержки самого себя, и величина задержки определена одной из известных или предполагаемых физических характеристик излучения энергии с расширенным спектром (например, частота следования элементов сигнала модулирующей CDMA функции расширения по спектру PRN); синтез полосы частот, где 1314 выбран в двух различных диапазонах конкретной полосы частот и смещения частоты так, что при умножении вместе они формируют единственные результирующие узкополосные данные, где смещение частоты, полоса частот являются функцией физических характеристик излучения энергии с расширенным спектром; дифференцирование, где 1314 является разностью с собой, давая приблизительную первую производную; и прореживание, где 1314 частота выборки уменьшается, приводя к узкополосному выходному сигналу, который является частью (долей) излучения энергии с расширенным спектром. Для дифференцирования дополнительные производные могут быть получены дальнейшим дифференцированием предыдущей производной в 1314. Для прореживания прореженный выходной сигнал может использовать наложение или преобразование с понижением частоты, и фильтрацию низких частот, чтобы ограничить узкополосные данные до диапазона, представляющего интерес, который содержит требуемые физические характеристики.

Фиг. 13С показывает один вариант осуществления элемента обработки узкополосных данных 1313 на фиг. 13В. К узкополосным данным 1315 применяют быстрое преобразование Фурье (FFT), приводящее к преобразованию 1315 частота-пространство (амплитуда, частота и фаза). Эти данные затем обрабатывают пиковым детектором, который предпочтительно извлекает амплитуду, частоту и фазу для пиковых значений, которые удовлетворяют некоторым требованиям, которые определены данными 1309 конфигурации. Обычно выбирают пики, которые удовлетворяют некоторому пороговому значению (например, отношение сигнал/шум амплитудой 5) и частотному диапазону (например, должно быть между -10 и 50 Гц). Выбранные пики для каждого канала группируют, чтобы сформировать измеримые величины 1306, которые содержат значения частоты, амплитуды и фазы по меньшей мере для одного периода.

Фиг. 13D иллюстрирует альтернативный вариант осуществления элемента обработки узкополосных данных 1313 на фиг. 13В. Узкополосные данные 1315 обрабатывают по меньшей мере одним или более контуров 1322 отслеживания фазы, которые конфигурированы для отслеживания сигналов, соответствующим ожидаемым частотам, содержащимся в узкополосных данных. Каждый контур 1322 отслеживания выдает частоту, фазу и оценку соотношения сигнал/шум, вместе формирующие набор измеримых величин 1306 по меньшей мере для одного периода. Различные типы контуров отслеживания фазы могут быть осуществлены в зависимости от требований конкретного применения. Часто контур отслеживания должен быть осуществлен с некоторым видом средства, способствующего скорости передачи, допускающего очень узкую полосу частот после детектирования, которая может увеличивать время интеграции, приводя к лучшему соотношению сигнал/шум и точности измерения.

Фиг. 13Е иллюстрирует еще один альтернативный вариант осуществления элемента обработки узкополосных данных 1313 на фиг. 13В. Узкополосные данные 1315 по меньшей мере от двух перехватчиков выбирают на этапе 1331, формируя узкополосные данные 1335 от первого перехватчика и узкополосные данные 1336 от второго перехватчика. Узкополосные данные 1336 задерживаются во времени относительно 1335 на величину, указанную данными конфигурации, и/или величину, определенную физическими состояниями излучателей, первого перехватчика и второго перехватчика. Результирующие узкополосные данные затем взаимно коррелируют, полчая данные 1337 корреляции, которые указывают максимальные и минимальные значения корреляции как функцию времени. Эти данные затем обрабатывают посредством 1334 обнаружения максимальных пиков корреляции, что приводит к извлечению изменяющихся физических характеристик между первым и вторым перехватчиком. Этап 1334 может быть осуществлен рядом способов, но наиболее общие способы состоят в том, чтобы использовать контуры с синхронизацией по задержке или обнаружение FFT/пиков корреляции, подобных таковым на фиг. 13С. Измеримые величины, сформированные на этапе 1334 обычно являются частотой, фазой и соотношением сигнал/шум.

Хотя был иллюстрирован и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, как отмечено выше, много изменений могут быть сделаны без отрыва от сущности и объема изобретения. Соответственно, объем изобретения не ограничен раскрытием предпочтительного варианта осуществления. Вместо этого, изобретение должно быть определено полностью формулой изобретения, которая приведена ниже.