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专利名称：室内卫星导航系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，尤指，但不排除其他地，一种将导航能力延伸到封闭区域的系统和方法，该封闭区域基本上被阻隔而无法接收卫星信号，例如建筑物的室内区域。
背景技术：
全球卫星导航系统是由环绕地球在特定轨道上的人造卫星星群或网路所组成，其中卫星传送信号以供地球上的接收器使用，以用作导航之类的功能。目前建置最多、广为使用的GNSS系统为美国所操纵的GPS系统，其他的GNSS系统包含俄罗斯操纵的GL0NASS系统，以及即将出现的欧洲的伽利略卫星导航系统和中国的北斗卫星导航系统。本发明在此以GPS系统为例来作说明，但是本领域技术人员很清楚本发明的概念、原理可用在其他GNSS系统的情况。GPS系统在中地球轨道上包含了 24至32颗卫星，每颗卫星持续地传送导航信息，其由卫星本身独一无二的伪随机码(Pseudo Random binary Code, PRN)所调制,一颗卫星所调制的伪随机码与其他卫星中所有的伪随机码都正交。可供公众使用的GPS测距码称为粗略/撷取(Clear Acquisition, C/A)码，其为具有1023比特的PRN码。所述导航信息包含了其传输时间、星历表(ephemeris)(或多个星历表)以及历书(almanac)这类的资讯。星历表精确地描述了卫星的轨道，而历书记载了网路中所有卫星的轨道和状态的粗略资讯。星历表每两个小时更新一次，通常在四个小时内都还有效。在接收端，GPS接收器本身产生这些C/A码的复本，並与卫星所传输的信号进行名义上的同步。当该接收器接收到目前可见卫星(通常在开阔地有8 12颗卫星)的C/A码时，该接收器将所产生之C/A码的复本与所接收到的C/A码进行交互关联(CToss-correlate)，以识别出那些传输信号已被接收到的卫星。对卫星进行的测距可通过将接收到信号的时间减去信号开始传输的时间(以得出传输时间)以及通过除以光的速度来决定。在知道星历表的情况下，接收器可计算得出卫星在传输信号当时的位置。若接收器的计时器(clock)完美地与卫星同步，则来自三颗卫星的信号即足以用来对该接收器的位置(水平坐标X和y，以及高度坐标z)进行三角定位。因为可与卫星上使用的原子钟达到良好同步的计时器在常规使用上目前仍太昂贵，故使用来自四颗或四颗以上的卫星的信号来决定x、y和z，以及接收器之计时器与GPS计时器之间的时差dt。而若只需要水平坐标来进行导航，则来自三颗卫星的信号即已足够。图1A和图1B例示了上述提到的现有GNSS接收器从GNSS卫星信号取得位置资讯的过程。在图1A中，四颗卫星(即，Sat-1至Sat-4)在时间&到t4时传送导航信息，这四个信号被图中所示的使用者手持的GNSS接收器所接收，该接收器从每颗卫星独一无二的C/A码识别出这四颗卫星。如前所述，对每颗卫星测距的距离“P”(希腊字母:“row”)可通过将接收到信号的时间减去信号开始传输的时间U1到t4)以及通过除以光的速度“C”来决定，每颗卫星在传输信号时的坐标位置可从星历表中确定，亦即，Sat-1的位置(Χι，Υι, Z1)和Sat-2的位置(x2，y2, z2)等。图1B显示了如何将测距距离和该位置值代入四个方程式以决定出GNSS接收器的坐标位置(X，Y, Z)以及接收器相对于卫星计时器的时差“dT”。基于导航的GNSS，其一个特点是通常无法在室内执行导航，此因建筑物的墙和屋顶会作为阻挡或减弱卫星信号的屏障，类似的问题也发生在有些室外区域，例如自然界的峡谷、高耸建筑物林立的城市地区(“城市峡谷”)以及深山河谷。在这些环境中，卫星的传输信号不是无法被接收到，就是所接收到的信号其功率级太低，例如低于环境噪音信号的功率级，以致於无法供一个标准的、未经改良的GPS接收器使用。这是一个严重的问题，因为据估计，80%的日常活动是在室内环境进行，例如家里、办公室、购物区和电梯。再者，举例来说，当人们从街道走进购物商城或建筑物中，或开车进入地下停车场或通过隧道，服务的连续性可能会被打断。目前有许多已被实现的尝试企图解决此问题，其中一个方式是，遍及建筑物或封闭区域到处佈建实体感应器网路，例如红外线、超声波或压力感应器。然而，佈建实体感应器的困难之处在于需要广泛设置基础设施。另一个方式是利用不同类型的感应器，其可允许在使用者端使用自主的手段进行定位，这包含了里程计、加速度计、陀螺仪和磁力计这类型的感应器，此一方式的原则是在可收到GNSS信号的情况下使用GNSS信号，而无法收到GNSS信号的情况下转换到其他感测器。然而，此方式需要对使用者的动作或运动进行非常精确的模型化才能实现。其他方式是使用现代通讯技术，而非实体感应器。举例来说，有一种方法中使用移动通讯网路，如GMS和UMTS，並利用TD0A、E-TD0A和“信号接收角度”(Angle of Arrival)这类的技术来实现。这种方式被认为是不切实际的，因为进行定位的话，移动终端最少需要三个基地台是可见的，这种方式亦遭受到信号多路径传输所引起的定位不精确之害。另一种采用通讯的方式是利用免费的或可公开取用的基础设施，其用作其他用途，如移动互联网的接入或WiFi。在此例中，GNSS的计算是基于时间的测量，然而由非GNSS源所提供的时间资讯通常并不精确，此会对最终输出的导航结果造成粗略性和跳动性的影响。与现有WLAN提供时间资讯的能力相较，为了达到精确定位，时间参考需要更认真地进行升级。另一种位置计算方式是基于收到的信号强度资讯(Received Signal StrengthInformation, RSSI)0然而，这种方式需要系统增加接入点(Access Point)的数目，使其数目远大于通讯用途所需的数目，这种方式亦遭受到信号多路径传输所引起的定位不精确之害。有些为了解决室内导航问题所采取的方式是建在GNSS系统的基础上。举例来说，有一种使用“伪卫星”(pseudo satellites或pseudolites)的技术,其将一些卫星(如，卫星信号生成器)建立成区域性陆地上的星群。然而，这种方式出现的问题是如何达到伪卫星之间的同步。此外，这种方式会遭受到信号多路径传输所引起的定位不精确之害。另一种基于GNSS系统的方式是把GNSS转发器放置在室内区域。然而,该转发器只是传送室外位置的资讯，因此这种方式实际上並不会提供室内导航的资讯。因此，现有涵盖室内的导航技术在建筑物内部和其他封闭或围阻空间通常只能提供受限的和不精确的导航信息。再者，这些技术中有许多需要对GNSS接收器进行某种形式的改良，以使其能够认出和使用辅助的或增加的资讯，这种不方便性会增加接收器的成本，且只在刚好配有这个特定技术的区域有用。

发明内容
根据本发明一方面，提供一种用于封闭区域的导航系统，所述导航系统包含:a)至少一卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，用以接收由卫星星群所传输的卫星信号，並决定与该传输的信号有关的时间同步资讯；b )至少一区域性传输站，其位于该封闭区域内，用以传送与该传输的卫星信号兼容一致的一区域信号；以及c) 一通讯通道，其用以在每个站与至少一个其他的站之间传递自动调整资讯；其中每个区域性传输站使用该自动调整资讯来生成该区域信号；以及其中至少一个该区域信号提供可被一卫星导航接收器使用的导航资讯。所述导航系统中，该卫星信号接收站更包含一传输器，其用来传送与该传输的卫星信号兼容一致的区域信号。所述导航系统中，该自动调整资讯包含有关区域信号功率位级的资讯。所述导航系统中，该区域信号包含对至少三个传输的卫星信号的模拟结果。所述导航系统中，该区域信号包含对四个传输的卫星信号的模拟结果。所述导航系统中，该自动调整资讯更对多个传输的卫星信号的一致性进行交流。所述导航系统中，更包含若干个所述区域性传输站，其中每个站选择进行操作的通道不同于由相邻的站传输的通道。所述导航系统中，每对相邻的站是各自以分隔距离隔开，其中该区域信号的传输范围大于该分隔距离的一半並小于该分隔距离。所述导航系统中，该区域信号的传输范围大约是该分隔距离的0.7倍。所述导航系统中，包含了两个卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，其中该自动调整资讯包含从该两个卫星信号接收站传送到每个区域传输站的时间同步资讯；其中由每个区域传输站传送的区域信号为一个二维区域提供基本上精确的定位资讯。所述导航系统中，包含了三个卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，其中该自动调整资讯包含从该三个卫星信号接收站传送到每个区域传输站的时间同步资讯；其中由每个区域传输站传送的区域信号为一个三维空间提供基本上精确的定位资讯。所述导航系统中，该至少一卫星信号接收站中的每一个包含一接收天线用以接收卫星导航信号；一传送天线用以传送该区域信号；以及一处理器用以执行自动调整演算法。所述导航系统中，该通讯通道为无线传输。所述导航系统中，该通讯通道包含未被使用的卫星导航通道。所述导航系统中，该通讯通道包含在相邻站之间的有线连接。根据本发明一方面，提供一种于封闭区域内提供卫星信号资讯的方法，所述方法包含:a)于该封闭区域内配置若干个区域性传输器；以及b)传送与所传输的卫星信号兼容一致的区域信号；其中该区域信号提供可被一卫星导航接收器使用的导航资讯。所述提供卫星信号资讯的方法中，更包含与这些区域性传输器交换自动调整资τΗ ο所述提供卫星信号资讯的方法中，该区域信号提供来自于若干个卫星的资讯。
本发明的优势及附加的优势及/或方面可由下文的详细描述获得理解，或可从详细描述中推导而出，及/或可从本发明实用上学到。


通过下文的详细描述、配合如下附图，本发明可被进一步了解和理解。图1A显示现有技术中的卫星导航系统表示出四颗卫星和握着GNSS接收器的使用者的示意图。图1B显示使用于现有技术中的卫星导航系统的数学方程式。图2A显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的方块图，其中该系统使用于封闭区域並与头顶上的卫星进行实时连接。图2B显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的方块图，其中该系统使用于封闭区域並与为独立的系统。图3显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的示意图，其中该系统用于隧道中。图4显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的示意图，其中该系统用于单一楼层的室内环境中。图5显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的示意图，其中该系统用于多楼层的室内环境中。图6显示根据本发明实施例实现的室内卫星导航系统的一部分的方块图，其显示三个微模拟器与它们之间的一些关系。图7A显示根据本发明实施例实现的由微模拟器执行的一种自动调整演算法的流程图。图7B显示根据本发明实施例实现的由微模拟器执行的另一种自动调整演算法的流程图。图8显示图6中的微模拟器“Q”的方块图，其显示本发明如何使用以提供GNSS信号给附近的接收器。图9A显不与本发明实施例一致的在一个微模拟器和单一个参考微模拟器之间时差dT的计算的方块图。图9B显示与本发明实施例一致的在一个微模拟器和两个参考微模拟器之间时差dT的计算的方块图。图9C显不与本发明实施例一致的在一个微模拟器和三个参考微模拟器之间时差dT的计算的方块图。图1OA显示根据本发明实施例实现的用于室内卫星导航系统中的外部或室外微模拟器的方块图。图1OB显示根据本发明实施例实现的用于室内卫星导航系统中的内部或室内微模拟器的方块图。
具体实施例方式在此将对本发明的实施例进行详细的描述，所举出的例子将配合附图进行说明，其中全文使用相同或类似的元件标号来代表相同或类似的元件，以下将配合附图来描述实施例以清楚解释本发明。请参阅图2A，其显示根据本发明的实施例实现的室内卫星导航系统10的方块图。此图显示了五颗卫星12,其为全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的一部分，卫星12位在太空轨道上，並向地面传送GNSS信号14。如图所示，地面上有一栋建筑物或一个地点16，其包含有一封闭区域17，卫星的GNSS信号14无法进入封闭区域17，因建筑物屋顶和墙形成了屏障。因此，位在建筑物内、封闭区域17内的GNSS或GPS接收器18无法获得所需的操作资讯、无法提供位置资讯。为了更清楚起见，“封闭区域”或“封闭区域17”这个词语指的是任一个完全或部分封闭的空间、区域或环境，而GNSS信号被完全地、实质上地或部分地阻挡而不进入其中，以致於GNSS信号强度太弱而无法使用或完全无法接收到GNSS信号。可理解地，封闭区域具有各种形态，例如包含室内建筑物、室内场所、购物商场、地下停车场、车库、电梯、隐蔽的山区道路、高楼林立阻挡了 GNSS信号接收的城市峡谷的街道、隧道、船舱和机场等。类似地，“室外区域”这个词语指的是不是封闭区域的空间、区域或环境，亦即GNSS信号通�？杀籊NSS接收器接收到的地方，其所接收到的GNSS信号仍保有足够的功率，使得此GNSS信号可被处理以得出定位结果。根据某些实施例，本发明的系统10包含至少两个站或“微模拟器”(micix)simulator, MS) 20，其安装在建筑物16和封闭区域17所在之处。微模拟器是一种具有多通道GNSS传输器、GNSS接收器和附加的处理及通讯元件的装置，使其能够传输和模仿GNSS卫星信号，并与其他微模拟器交换资讯。微模拟器可依其传输器(Tx)和接收器(Rx)是在封闭区域17内(B卩，“In”、内部或室内)进行操作，还是在封闭区域17外(即，“Out”、外部或室外)进行操作，来作为特性上的区别。对“室外微模拟器”来说，其不是Tx就是Rx在室外进行操作，而其他天线元件在室内进行操作。“室内模拟器”是Tx和Rx两者都在室内进行操作。因此，微模拟器MS有三种类型，即“Rx-Out-Tx-1n”的室外MS、“Rx-1n-Tx-Out”的室外MS，以及室内MS，其总是“Rx-1n-Tx-1n”。“Rx-Out-Tx-1n”这类型的室外MS具有位在室外的接收器，其类似于GNSS接收器，可接收直接来自于卫星12的GNSS卫星信号14。“Rx-1n-Tx-Out ”这类型的室外MS具有传输器，其可提供信号以涵盖外部范围，这类型MS的使用是选择性的，可在某些场合下提供额外的覆盖范围。在许多应用中，室内微模拟器的数量相对较多，因这类型的MS用来在封闭区域17内进行跨越以及提供连续的导航覆盖范围。回到图2A，可知此例中的系统10具有三个微模拟器，即室外MS 20A和室内微模拟器20B及20C。室外MS 20A具有一接收器24，其位在室外，可接收卫星信号14，室外MS20A並具有一传输器25，其在室内(B卩，封闭区域17)进行传输。室内微模拟器20B和20C都在封闭区域17内进行信号接收和传送。为更加清楚起见，图中的室外微模拟器以阴影填满，而室内微模拟器未填上阴影。系统10亦包含可在微模拟器之间进行通讯的手段或工具，以使某些资讯能够传输和交换，这以图2A中的线条22来表示。如后文会进行更仔细讨论的，通讯线路22可以许多实施方式来实现，例如包含有线或无线通讯技术，因此实际上可含有或不含有额外的实体硬件。至少一个MS作为同步的主要MS (或只称“主要MS”)，其为知道自己自身位置的MS。主要MS可为室外MS,其具有一接收天线Rx，可接收来自卫星的GNSS信号14，並从该信号确定自己的位置。室内MS也可作为主要MS，它虽然不能接收来自卫星的GNSS信号，但只要由系统管理者提供其自身位置即可。举例来说，可执行全面测勘，以决定其自身位置，並将此值输入室内MS的处理器。资讯从主要MS开始依序流到系统10中的每个MS。举例来说，在图2A中，资讯从室外MS 20A(假设其为主要MS)流到室内MS 20B，並从室内MS 20B流到室内MS 20C,图2A所示的实施例可称为一种“实时连接”的类型，因其具有的室外MS维持实时连接以与GNSS卫星作用，故可主动地取得其自身的位置。图2A中的每个MS 20传输一区域性的GNSS信号26，其包含在名义上的位置从四个或四个以上(通常为四个)的GNSS卫星接收到的信号，如果这些卫星从该位置来看是可见的话。区域性的GNSS信号26可描述为MS 20生成的一个模拟的卫星信号。该名义上的位置通常为MS所在位置，但也可为与MS所在位置相关的或从MS所在位置偏移一段距离的一个不同位置。因此，在图2A中，GNSS接收器18可围绕着封闭区域17进行移动，並取得密切相关的位置读值。系统10的另一个实施例显示于图2B中，在此实施例中，封闭区域完全位在地面下，如矿坑，故所有的MS为室内微模拟器。因为没有室外MS，也没有跟卫星12实时连接，这类型的系统称为“独立”(stand alone)系统。在此实施例中，一或多个MS为主要MS，其被提供了自身位置。需注意的是，所提供的位置没有必要是真实的位置，其可为任意的，这对系统来说仍然可行，因为所有其他的MS会进行同步，并与主要MS维持不变的关系。所示的独立系统会与提供到元件单元的存储的或历史的卫星数据工作。实际上，GNSS系统总是在移动，而视野中每颗卫星在移动时会递送一连串连续的导航信息，个别卫星持续地进入视野並移出视野。如后文会进行更仔细描述的，本发明的系统10能够适应这些改变或其他变化或进行自动调整，使其能够在封闭区域17内维持全面且连续的导航覆盖范围。举例来说，这些适应调整包含调整时序、卫星选取和区域性GNSS信号26的功率中任何一者或所有，以及提供更新过的可见卫星的星历表。因此，可以理解地，根据本发明一些实施例实现的系统10增加了实用的导航信号，並对缺乏GNSS信号或在实际用途上不存在GNSS信号的环境中的GNSS接收器提供全面的、连续的导航覆盖范围的支援。图3至图5用来说明本发明之系统10的例示性配置或应用。图3显示隧道28的侧视图，其具有屋顶29和用来运输行人和交通工具(如汽车31)的路面30。平常不可能在隧道28内的封闭区域17实现卫星导航，因卫星信号14被屋顶29阻挡。如图所示，系统10可包含位在隧道外部两端的两颗室外微模拟器20以及位在隧道内的一群室内微模拟器20。图中显示了三颗室内微模拟器20，但可以理解地，可安装尽可能多的所需数目的室内微模拟器20，以为隧道整个长度提供连续的覆盖范围。在此例中，使用了两颗室外微模拟器20，其位在隧道相反两端的入口处和出口处。在本发明之系统10的配置中，其中一颗室外微模拟器可具有室外Rx (即，Out-Rx-1n-Tx)，而另一颗室外微模拟器可具有室外Tx(S卩，In-Rx-Out-Tx)。此Out-Rx MS可接收来自于头顶上卫星12的卫星信号14並作为主要MS。通讯可从主要MS开始进行，通过室内微模拟器，直到结束于Out-Tx室外MS 20。当位于终端的室外MS不用来接收卫星信号14时，仍可使用其室外位置来确保在进入或离开隧道期间GNSS信号的接收效果是流畅且未被打断的。在图3中，显示室内微模拟器是放置在隧道屋顶29上，由于隧道的使用者为较靠近路面30的行人和驾驶人，在此情况下可对区域性GNSS信号26进行设定，使其提供路面上的名义位置，其在MS 20真实的屋顶位置之下並从该位置偏移一段距离。图4显示单一个楼层的建筑物32或建筑物中一个楼层的透视图，在此布局中，有两个室外微模拟器20和跨越封闭区域17的一群室内微模拟器20。在此例中，这两个室外微模拟器20可都具有室外Rx並都接收卫星信号14。在另一个实例中，图5显示多楼层建筑物33的侧视图，这种配置可代表为办公室、公寓大夏、购物中心或立体停车场。如图所示，系统10可配置成在屋顶上具有三个Rx-Out-Tx-1n之类型的室外微模拟器20，每一层楼可具有一群跨越室内空间的室内微模拟器20，类似于图4所示的实例。通常将微模拟器放置在建筑物的每个入口处及/或出口处並紧邻某些楼层(如，在购物商场中)是相当有益的，如果有梁、柱之类的障碍物，那么可能需要另外的微模拟器，来提供连续的覆盖范围。图6为可用来说明本发明中一些操作原理的系统10的一部分图形，如所指出的，此图显示了三个微模拟器，其可能为一个安装好的系统10中较大的微模拟器网路中的一部分。这三个MS可以英文字母标示成“P”、“Q”和“R”，或是等价地标示为MS 20P、MS 20Q和MS 20R。MS 20Q为室内MS，MS 20P和MS 20R则不是室外MS就是室内MS。为了进行分析，假设MS 20P和MS 20R为室内MS。此图亦显示了资讯通讯线路22pq和22pr，其分别代表相邻微模拟器P和Q之间以及Q和R之间的资讯流或通讯通道，而其他的通讯线路22显示微模拟器P和Q与此图未显示的其他MS连通。假定该资讯流或资讯串列是从左流到右，亦即，从外部MS流到MS 20P,接着从MS 20P流到MS 20Q，再从MS 20Q流到MS 20R，最后从MS 20R流到外部MS。为了看出这三个微模拟器其只形成系统10的一部分，使情境连贯，图6亦显示了在头顶上的12个卫星的星群，其以标号I到12来表示，此外亦显示了屏障34，其代表任何类型的信号阻碍，如建筑物的屋顶或形成隧道上部的陆块。因此，图6所示的在屏障34下方的所有区域为被阻隔的封闭区域17。根据本发明一些实施例，与系统中其他微模拟器一起配置的显示为P、Q和R的这三个微模拟器被安排成以一段基本上相同的距离，标示为“S”，彼此分隔。因此，可以理解地，适当跨越某一给定空间所需的微模拟器数目可通过将该空间之长度除以分隔距离“S”来确定。具体来说，当要将微模拟器以任何方便的分隔距离进行放置，将此分隔距离保持统一是有利的，理由说明如后。在图6中，为方便说明，通讯线路22pq和22qr亦用来代表微模拟器间的分隔距离。因此，线路22pq可说是表示MS 20P和MS 20Q之间的分隔距离“S”，而类似地线路22qr表示MS 20Q和MS 20R之间的分隔距离“S”。每个MS通过其传输器Tx来传输自己的区域性GNSS信号26，每个MS亦通过其接收天线Tx来接收依资讯流序列排列的邻近MS的区域性GNSS信号26。具体来说，MS 20P接收或侦测来自于其左边的MS (未显示于图中)的区域性GNSS信号，MS 20Q接收由MS 20P所传送的区域性GNSS信号，而MS 20R接收由MS 20Q所传送的区域性GNSS信号，这些接收到的信号的使用将于下文进行描述。需注意的是，由于区域性GNSS信号26是以非常低的功率进行传输，为了侦测这些信号，根据本发明一些实施例，微模拟器可设置成具有接收器Rx，其具有相当高位级的敏感度。如前所述，微模拟器之间同步资讯的通讯，以图中的线路22代表，可采用许多不同的方式实现。根据某些实施例，此通讯可通过专用的有线区域网路来实现，例如，此可包含基于光纤或基于铜缆线的网路。另一个方式是采用无线通讯技术，此具有利用已存有之硬件的优势，故可维持最低限度的成本和元件数。有几种方式可让资讯以GNSS频带外未经注册的频带进行传输，以避免资讯信号与导航信号互相干扰，其中一种方式是使用分频多接口(frequencydivision multiple access)技术,其类似于使用WiFi无线区域网路。另一种方式是使用微模拟器上的传送和接收方向分离的天线。第三种，较不佳的方式，是使用分时多接口(timedivision multiple access)技术,这种方式中模拟的卫星信号26的传输偶尔会暂停，以允许资讯交换。另一种避免同步信号与导航信号互相干扰的方式具有相当的优势，因其GPS系统只使用1023个可能的GPS C/A码中的36个。由于有7个C/A码被保留作为基于卫星的扩增的系统使用，故仍有980个C/A码可供系统10用来传输其他资讯。因为C/A码彼此互相正交，故GPS接收器会忽略那些用来传输同步信号的C/A码。微模拟器所提供的传输器和接收器可适合用于供选择用来传播同步资讯的任一种方式使用。根据本发明一些实施例，为了对封闭区域17提供有效率、连续的GNSS信号覆盖范围，微模拟器需要在系统中维持某种状态，这是关于传输功率、进行传输的卫星的选取以及区域性GNSS信号的同步或时序。此外，针对室外微模拟器之视野中的卫星，需要提供其更新过的星历表资讯。这些特别的状态以及维持这些状态的程序将于后文中进行讨论。从功率需求开始来看，根据本发明一些实施例，相邻的微模拟器之间的分隔距离为“S”，每个微模拟器的区域性GNSS信号26的有效传输范围应大概为中途地点的1. 4倍，或大约为分隔距离“s”的O. 7倍。本发明之系统10这方面的特征显示于图6，微模拟器20P和20Q之间以及微模拟器20Q和20R之间的中途地点如图所示为“s/2”，每个微模拟器的传输范围“r”是以每个MS的箭头“r”和虚线圆圈36来表示，可见，由圆圈36所代表的传输范围超过了分隔线22PK和22qk的中途点s/2 (註此图未按实际比例绘制)。图6亦显示了相邻圆圈36如何相交，此定义出相邻微模拟器之间传输范围的重叠区域37。现在可以来检视此信号功率布局所产生的效应，当GNSS接收器18位于一个微模拟器的传输范围r之内但不在重叠区域时，所收到的信号中佔主导性的会是从这个微模拟器发出的区域性GNSS信号26。举例来说，位于图6中点Tl的接收器18会接收到来自MS20P强度高的区域性GNSS信号26，因其位在MS 20P的传输范围内，来自MS 20Q的区域性GNSS信号26会相对非常弱，因点Tl不在MS 20Q的传输范围内。类似地，分别在点T2和点T3的接收器主要会接收分别来自MS 20Q和MS 20R的区域性GNSS信号。因此，在点Tl、T2和T3，GNSS接收器18会计算並取得分别相应于MS 20P、MS 20Q和MS 20R之位置的位置(或与这些位置相关的名义位置)。当GNSS接收器18位在重叠区域37时，如位在图6中的点T4和点T5，该接收器会接收到两个区域性GNSS信号26。在此情况下，GNSS接收器会以为这两者的平均来计算其位置，或大约在中途地点s/2。因此，可以理解地，本发明之系统10的解析能力大约是相邻微模拟器间的距离的一半，或大约是s/2。举例来说，在某个特定的安装配置中，若两微模拟器之间的分隔距离“s”为50公尺，则位置解析度会是25公尺。也可以理解地，这种布局能够使得位置值相对流畅地以s/2为单位进行变换，而不是以长度“s”为单位进行变换。本发明系统10的另一方面是要被传输的卫星的选取，以作为每个MS模拟的GNSS信号。如前所述，在图6所示的配置中，有12个卫星，即Sat-1到Sat-12，其通常在某个特定时间为可见的或在头顶上、屏障34上方。该系统通过一或多个关联的室外微模拟器直接接收到的卫星信号14及/或通过所有卫星傷带的历书所提供的资讯，可以知道这些卫星的存在。根据本发明一些实施例，该系统也可以通过其他手段或方式，如从互联网或从其他外部源，而不是通过卫星信号，来接收到历书和星历表。根据本发明一些实施例，系统10较佳地设置成可使每个微模拟器传送不同组卫星的信号，而不是相邻微模拟器传输同样的卫星信号。如图6所示，MS 20P的区域性GNSS信号26所传输的信号是相应于卫星2、5、7和12,MS 20Q所传输的信号是来自于卫星1、4、8和9，而MS 20R所传输的信号是来自于卫星2、6、7和11。因此，两相邻的微模拟器MS 20P和 MS 20Q 之间(B卩，2、5、7、12 与 1、4、8、9)以及 MS 20Q 和 MS 20R 之间(B卩，1、4、8、9 以及 2、
6、7、11)，没有共同的卫星信号。虽然卫星2和7都使用在MS 20P和MS 20R中，但这是可接受的，因MS 20P和MS 20R没有相邻。相邻微模拟器传输不同组的卫星信号所具有的优势是这样可以降低GNSS接收器出现错误的风险。举例来说，假设MS 20Q使用的卫星是1、5、8、9而不是1、4、8、9，那么其与MS 20P共同使用了卫星5，在重叠区域37点T4的接收器可能会从MS 20P和MS 20Q的两个区域性GNSS信号使用到卫星5。由于每个对应卫星5的信号是从不同来源所发出，这会在接收器造成不准确的情况，也可能因多路径传输而出现错误。错误也可能会出现在重叠区域之外的区域，如在点Tl或T2，在此处接收器可能接收到对应卫星5的一个高强度信号和来自另一路径的对应卫星5的一个低强度信号。通过相邻微模拟器选取相异的卫星这样的方式，可避免这种风险。根据本发明一些实施例，因为某些原因，若相邻微模拟器使用了一个相同或共同的卫星，该MS可设置成降低傷带该共同卫星之信号通道的功率，从而降低上述提到的不准确情况和错误的风险。为了确保卫星指派是恰当的，每个微模拟器将其所选的卫星传达给邻近的微模拟器。举例来说，MS 20P传达给MS 20Q，告知它MS 20P正在使用卫星2、5、7和12，MS 20Q的自动指派演算法使用这个资讯来选择不同组的四个卫星，如1、4、8和9。亦需注意的是，在只需要水平导航的情况下，如在图3所示的隧道内部，那么每个微模拟器只需要模拟三个卫星的信号，而不需要四个卫星。在区域性GNSS信号26中，每个卫星传输包含了传输的时间“t”,这个时间作为GNSS接收器18所使用之资讯的一部分来计算位置，即传输的MS的位置或与传输的MS的位置偏移一段距离的一个名义位置。为了要提供精确和流畅的导航效果，系统10中的微模拟器需要互相进行同步。如前所述，在实时连接这种情形下，微模拟器亦应与卫星12的计时器进行同步。根据本发明一些实施例，同步可通过选择室外MS 20作为同步的主要控制来达成。室外MS 20为Out-Rx-1n-Tx这个类型，故直接接收GNSS卫星信号14，並计算其与卫星计时器的时差dT。不是通过重做(repeat)从卫星接收到的信号，就是通过与室内微模拟器20采用的相同的方式来模拟该信号，室外MS 20传送它自己一组的四个或四个以上模拟的卫星信号。室外MS 20亦使用通讯通道22来对相邻室内MS 20与GPS卫星计时器偏移的时间进行延迟。室内MS 20在其接收器Rx端从室外MS 20接收到该模拟的卫星信号，並使用该信号的资讯来计算位置，所计算出的位置只是室外MS 20的位置，但是该计算的副产物是室外MS 20和室内MS 20之间计时器的时差。这个过程持续依序进行，每个其他的室内MS 20接收从相邻室内MS 20(如紧邻它左边的MS，如图1所示)传来的区域性GNSS信号26，並使用这些信号来计算其与该相邻室内MS的时差。接着，每个室内MS 20利用通讯线路22传送所累积的时差，即从室外MS 20到这点所有的时差，依序到下一个相邻MS 20 (S卩，这个MS的“右边”那个MS)。在图6所示的实例中，MS 20Q侦测来自于MS 20P的区域性GNSS信号26，並使用此资讯来决定其与MS20P的时差。依此方式，所有室内MS 20最后会得出它们各自与主要的室外MS 20的时差，藉此与卫星GPS计时器达成同步。如前所述，任一个微模拟器20可用来作为同步的主要控制者，以使系统内部时序达成一致。位于封闭区域17内的GPS接收器18进行导航是根据系统10所维持的时间，而不是根据GPS卫星的时间。尽管如此，较佳仍可将系统10与GPS卫星的计时器同步，如前所述，通过利用作为主要控制者的室外MS 20，以在GPS接收器18进入和离开封闭区域17时能够流畅地移转。已与主要MS同步的系统10，但其主要MS未与卫星计时器同步，这样可能会造成GPS接收器在进入和离开封闭区域17时，至少在一个短暂期间失去位置资讯。亦需注意的是，原则上，室内微模拟器20可利用缆线连接，个别地或共同地依序与共用计时器进行同步，此共用计时器已与GPS卫星计时器同步，虽然这种方式跟上述提到的从室外MS20来同步的方式相比较为不佳。室内MS 20为了要传输与名义位置相关联的模拟卫星信号26，该MS必须知道信号正被模拟的那个卫星的星历表，这些星历表的值可从互联网或电信通讯连接来获得。另外，星历表可从室外MS 20获得，室外MS 20可通过其所收到的GNSS卫星传输信号14来接收视野中所有卫星的星历表，接着利用通讯通道22将这些值传送到系统中的室内MS。在此方式中，通过周期性地传输星历表，室外MS 20可更新被室内MS 20使用的星历表，並确保室内MS只模拟那些目前可见的卫星。根据本发明一些实施例，本发明的具体操作现可回顾如下。主要的室外MS 20通过接收GNSS卫星传输信号14後开始运作，使用该讯号来获取与GPS卫星计时器的时差dT以及可见卫星的星历表。可选择地，亦可获取历书，以辅助该MS预测可能会进入视野中的其他卫星。室外MS选取四颗卫星和要传送到室内的信号的功率位级，並传达卫星时差dT、所有卫星广12的星历表、其所选的卫星和其传输信号的功率位级给邻近的室内MS 20。根据本发明一些实施例,具有一种自动调整(self-alignment)的方法,为方便起见标示为方法“A”，其由图7A的流程图来作说明。在此方法中，外部的(有线或无线)通讯通道22被用来同步微模拟器之间的时间。区域性GNSS信号26用来量测MS之间的时间延迟，並可用来量测MS的位置。此系统需要的同步主要控制者的数目与系统的维度(即，每个维度一个站)数目一样多，并且每个MS应连接到与系统维度一样多的数目的相邻MS。图7A显示根据本发明一些实施例实现的自动调整方法A的流程图。在启动后，于模块42中，MS侦测来自于邻近MS的区域性GNSS信号26。由此，于�？�44中，MS计算其与邻近MS的时差dTl。于模块46中，室内MS接收从邻近MS传来的资讯，其包含累积时间dTn、系统时间、选取的卫星、功率位级(备选地)以及所有卫星f 12的星历表。此系统时间只是由主要MS所提供的系统的已同步时间。于�？�48中，室内MS决定其相对于GPS卫星计时器的时差，dTnew=dTl+dTn。于�？�50，该MS选取四颗卫星以作为区域性的传输使用，其中这些卫星与邻近MS所使用的卫星不同。于�？�52，该MS决定功率位级(dbm)以及区域性GNSS信号26的传输时间。于�？�53，该MS使用上述资讯以决定其位置或坐标。于模块54，针对所选取的卫星，MS进行传输区域性GNSS信号26，其中使用dTnew取得适当的传输时间並使用所决定的功率位级，此信号包含时间资讯和四个选取卫星的星历表。具体来说，该MS计算区域性GNSS信号26的参数，该MS计算什么时刻“t”要施加到各通道，故通过星历表的使用，该GNSS信号提供其想要给接收器接收到的位置，即该MS的位置坐标或与该MS位置相关的名义位置。于模块56，室内MS将累积的时差dTnew、系统时间、其所选取的卫星、其功率位级(备选地)以及所有卫星的星历表这些资讯传送给在序列中的下一个MS，控制流程接着从�？�58回到开始�？椋�反复循环，系统10中的其他微模拟器开始相同的程序。根据本发明一些实施例，具有一种称为方法“B”(为方便起见)的自动调整类型。在此方法中，通讯通道22使用上述提到的GPS C/A码。区域性GNSS信号26用来同步系统时间，通讯通道22用来量测MS站之间的时间延迟或距离。与方法“A”相似的，这种情况下此系统需要的主要MS的数目与系统的维度数目一样多，即每个维度一个站，并且每个MS应连接到与系统维度数目一样多的相邻MS。来看图7B的流程图，于�？�60中，MS侦测来自于邻近MS的区域性GNSS信号26。于�？�62中，MS计算来自于邻近MS的系统时间。于�？�64中，该MS通过通讯通道从邻近MS接收邻近MS所选取的卫星、邻近MS的功率位级(备选地)以及视野中所有卫星的星历表。于�？�66中，该MS计算来自于邻近MS的延迟时间。于�？�68，该MS选取要进行传输的卫星。于�？�70，该MS决定功率位级和区域性GNSS信号26的时序。于模块72，该MS决定其位置。于�？�74，针对所选取的卫星，该MS传送区域性GNSS信号26。于�？�76，该MS通过通讯通道传送以下资讯到下一个MS :其所选取的卫星、功率位级(备选地)以及视野中所有卫星的星历表。于�？�58，回到开始处並反复执行。本发明之系统10另一方面的功率自动调整是，如果一特定MS的传输功率太高，则相邻的MS可侦测到此状况並传达出一个信息来降低功率。举例来说，在图6中，若MS 20Q的传输功率太高，如圆圈36Q愈来愈大且太靠近MS 20P和MS 20R JlJMS 20P及/或MS 20R可与MS 20Q在通道22上进行通讯，以降低其传输功率。根据本发明一些实施例，对功率的侦测可由收到的区域性GNSS信号26来完成。根据本发明其他实施例，对功率的侦测可通过通讯通道22上传播的功率位级来完成。可以理解地，在此方式中，自动调整演算法会计算、控制並产生功率位级和所传输的区域性GNSS信号26的时序，以及选取要被传输的卫星。因此，每个微模拟器是通过这些演算法被动态地控制。图8显示本发明之系统10产生的效果，以图6中的微模拟器MS 20Q为代表来说明。如所示的，此效果就像屏障34被移除了且不再有屏障34存在一样，故所选取的卫星1、
4、8和9可自由地进行传输，而它们的信号14由MS 20Q接收。这些包含了 C/A码、每个通道的传输时间“t”和星历表的信号以较低的功率位级(以虚线箭头38显示)被重新传输或模拟，故在MS 20Q的区域信号26的传输范围内的GNSS接收器18接收到该信号，就像它位在位置Q (“posQ”)的地点上一样，该区域信号26因此与所传输的卫星信号14是一致的、兼容的。在图2A中，MS的布局是线性的或一维的。在MS为二维或三维阵列的情况下，要提供更多的主要MS。具体来说，至少两个主要MS要提供给二维阵列，而至少三个主要MS要提供给三维阵列。在这些例子中，MS的位置是通过基于信号在微模拟器间传递的往返时间的三角量测法而得出的。此过程是从室外MS和相邻的室内MS之间的信号往返时间开始，並考虑微模拟器回应所接收到的三角测量信号时固定和已知的时间延迟。与现有技术相比，如图2A所示的线性布局的微模拟器的位置是利用现有勘察方法取得的。三角量测法可利用图9A至图9C以及图3至图5所示的实例作进一步的说明。图9A显示MS 20取得与单一相邻参考微模拟器相对的时差dT，从参考微模拟器到MS 20的距离以箭头“w”表示。可见，MS 20可沿着具有半径“w”的弧39移动。然而，沿着弧的任一个位置，与参考MS的距离都是相同的，故其时差dT也是相同的，即使MS 20在二维空间移动，此时差也会保持相同。因此，取得相对于一个参考点的时差並不足以固定二维空间中MS20的位置。这可由使用两个参考微模拟器获得解决，如图9B所示。与各个参考微模拟器的距离为“w”和“V”，在此情况下，当MS 20在平面上移动，至少一个参考距离就会改变，即二维空间中的MS 20的位置会有独一无二的“V”和“W”。类似地，依照相同的概念，为了决定三维空间中MS 20的位置，应使用三个参考微模拟器，如图9C所示。现在来看图3至图5所示的实例，可见，在图3隧道的例子中，隧道中发生的较明显的移动只是沿着顺着路20直走而已，故在此应用中，使用单一个参考MS应以足够。左侧的室外MS 20可为主要控制者，而相邻的室内MS 20ml可与其同步，接着MS 20m2与MS20ml同步。在图4房间或楼层的实例中，位移会在二维空间进行，而可能不是在三维空间(即，不会往上或往下)进行。因此，在二维空间中取得同步较为重要。两个室外微模拟器可为主要控制者，或者一个室外一个室内，以维持实施连接。作为一个例子，同步可由如下程序进行室内MS 20kl与两个室外MS同步，接着室内MS 20k2与室外MS中的一个和室内MS20kl同步，室内MS 20k3接着与室内MS 20kl和20k2进行同步。这程序对图5多楼层的实例也是相同的，在此，是在三维空间中移动，包括往上和往下，故需要三个参考微模拟器或主要微模拟器来进行同步。举例来说，这可由三个室外微模拟器达成，同步可由如下程序进行室内MS 20dl与三个室外微模拟器同步，接着室内MS20d2与室外微模拟器中的两个和室内微模拟器20 dl同步，接着室内MS 20d3与室外微模拟器中的一个和室内微模拟器20dl和20d2同步，接着室内MS 20d4与三个室内MS 20dl、20d2和20d3进行同步。根据本发明一些实施例，室外和室内微模拟器的方块图分别显示于图1OA和图10B。如图所示，室外MS具有单一接收器Rx用以接收来自GNSS卫星的GNSS信号，在被传输器Tx以区域性GNSS信号进行传送前，此资讯由自动调整处理和控制�？閬K接着由输出输入(out-1n)控制模块进行处理。现在来回顾本发明之系统10的一些优势。在实时连接中，系统基于头顶上的真实卫星提供实时的读值，此提供了一个动态改变的结构，其自身进行适应並把所传输的GNSS信号归给于密闭区域环境。每个微模拟器自动地量测其与邻居的相对距离、自己校正並相应传输所需的信号，此邻居为其他自动对位的微模拟器。由于系统传送具有相同资讯的GNSS卫星信号並使用与卫星传输之信号相同频率的信号，故可以使用一般的GNSS接收器。具体来说，接收器的硬件或软件不需要进行任何的改良或更动。类似地，接收器无须在任何特别的“模式”下进行操作，或接收器无须进行使用扩增资讯这样的调整。当发生与卫星GPS计时器进行同步时，如当室外MS用来进行同步时，系统10能够使得使用者在进入或离开封闭区域17时没有不连续性或中断的情形。在封闭区域17内，系统10可提供全面且连续的覆盖范围，不管是不是与卫星GPS计时器进行同步，或只是系统中的微模拟器之间的同步。由于每个区域性GNSS信号26傷带四个卫星的模拟信号，不会有多路径传输的问题，因为全部四个卫星信号传送到接收器走的是相同的路径。通过提供足够数目的微模拟器以涵盖封闭区域17，可以对封闭区域17提供全面的导航涵盖范围。本发明能够使得先前无法接收到卫星信号的区域或信号太弱以致於无法使用现有的GNSS接收器进行处理的区域变得可以进行连续导航，本发明将结合有GNSS接收器和GNSS传输器的微模拟器进行分布、配置，使其很好地涵盖封闭区域。本发明之架构产生的类似GNSS的信号是由自动调整演算法来控制和处理，其将这个类似GNSS的信号与来自真实卫星的信号进行同步。虽然本发明所选的实施例已揭示和描述如上，但应了解，本发明並不限于所描述的实施例。相反地，可以理解的是，在不脱离本发明之原则和精神的情况下，可以对此实施例作任何的更动，本发明的范围是由权利要求和其均等物所定义。
权利要求
1.一种用于封闭区域的导航系统，其特征在于，所述导航系统包含: a)至少一卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，用以接收由卫星星群所传输的卫星信号，並决定与该传输的信号有关的时间同步资讯； b)至少一区域性传输站，其位于该封闭区域内，用以传送与该传输的卫星信号兼容一致的一区域信号；以及 c)一通讯通道，其用以在每个站与至少一个其他的站之间传递自动调整资讯； 其中每个区域性传输站使用该自动调整资讯来生成该区域信号；以及 其中至少一个该区域信号提供可被一卫星导航接收器使用的导航资讯。
2.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该卫星信号接收站更包含一传输器，其用来传送与该传输的卫星信号兼容一致的区域信号。
3.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该自动调整资讯包含有关区域信号功率位级的资讯。
4.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该区域信号包含对至少三个传输的卫星信号的模拟结果。
5.根据权利要求4所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该区域信号包含对四个传输的卫星信号的模拟结果。
6.根据权利要求4所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该自动调整资讯更对多个传输的卫星信号的一致性进行交流。
7.根据权利要 求6所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:所述导航系统更包含若干个所述区域性传输站，其中每个站选择进行操作的通道不同于由相邻的站传输的通道。
8.根据权利要求7所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:每对相邻的站是各自以分隔距离隔开，其中该区域信号的传输范围大于该分隔距离的一半並小于该分隔距离。
9.根据权利要求8所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该区域信号的传输范围大约是该分隔距离的0.7倍。
10.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:所述导航系统包含了两个卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，其中该自动调整资讯包含从该两个卫星信号接收站传送到每个区域传输站的时间同步资讯； 其中由每个区域传输站传送的区域信号为一个二维区域提供基本上精确的定位资讯。
11.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:所述导航系统包含了三个卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，其中该自动调整资讯包含从该三个卫星信号接收站传送到每个区域传输站的时间同步资讯； 其中由每个区域传输站传送的区域信号为一个三维空间提供基本上精确的定位资讯。
12.根据权利要求2所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该至少一卫星信号接收站中的每一个包含一接收天线用以接收卫星导航信号；一传送天线用以传送该区域信号；以及一处理器用以执行自动调整演算法。
13.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该通讯通道为无线传输。
14.根据权利要求13所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该通讯通道包含未被使用的卫星导航通道。
15.根据权利要求1所述的用于封闭区域的导航系统，其特征在于:该通讯通道包含在相邻站之间的有线连接。
16.一种于封闭区域内提供卫星信号资讯的方法，其特征在于，所述方法包含: a)于该封闭区域内配置若干个区域性传输器；以及 b)传送与所传输的卫星信号兼容一致的区域信号； 其中该区域信号提供可被一卫星导航接收器使用的导航资讯。
17.根据权利要求16所述的于封闭区域内提供卫星信号资讯的方法，其特征在于:所述方法更包含与这些区域性传输器交换自动调整资讯。
18.根据权利要求16所述的于封闭区域内提供卫星信号资讯的方法，其特征在于:该区域信号提供来自于 若干个卫星的资讯。
全文摘要
一种用于封闭区域的导航系统，所述导航系统包含a)至少一卫星信号接收站，其位于该封闭区域之外，用以接收由卫星星群所传输的卫星信号，並决定与该传输的信号有关的时间同步资讯；b)至少一区域性传输站，其位于该封闭区域内，用以传送与该传输的卫星信号兼容一致的一区域信号；以及c)一通讯通道，其用以在每个站与至少一个其他的站之间传递自动调整资讯；其中每个区域性传输站使用该自动调整资讯来生成该区域信号；以及其中至少一个该区域信号提供可被一卫星导航接收器使用的导航资讯。
文档编号G01S19/11GK103080772SQ201180033529
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者以利亚胡·艾瑞尔, 朗·兹莫宏 申请人:伽利略卫星导航有限公司