用於擴展移動接收器定位能力的覆蓋範圍的方法和儀器的製作方法
2023-05-23 02:10:31 3
專利名稱：用於擴展移動接收器定位能力的覆蓋範圍的方法和儀器的製作方法
技術領域：
本公開的領域大體上涉及定位系統，並且更具體地涉及在缺少來自衛星或者地面站的可使用的位置信號時將位置信息提供給移動接收器的系統。
背景技術：
諸如全球定位系統(GPS)衛星的衛星通常用於將位置和時間信息傳遞給移動接收器。在至少一些已知系統中，接收器基於發送的位置和時間信息計算其位置。此外，衛星可以發送表示衛星運動(例如，軌道路徑)的天文歷數據，並且接收器可以使用天文歷數據計算其位置。由於由衛星發出的信號相對弱，基於衛星的定位系統通常容易受到本地化的幹擾措施(「幹擾」)的影響。此外，可能的是，定位系統內的一個或更多個衛星能夠有意地或無意變得不能工作。發送預定位置的陸基定位系統可以用作衛星的替換，但是這種定位系統具有有限的範圍並且可能容易受到自然災害或者攻擊的影響。
發明內容
在一個方面，提供從多個飛行器提供位置信息給移動接收器的方法。該方法包括從在多個飛行器中每個的至少三個位置源接收源位置。至少三個位置源包括遠程飛行器。至少部分基於在飛行器的當前時間、接收的源位置和表示每個遠程飛行器的運動的天文歷數據，在每個飛行器計算飛行器在未來時間的預測位置。在未來時間在每個飛行器發送預測位置。來自飛行器的發送的位置由移動接收器用於確定移動接收器的當前位置。在另一方面，提供定位系統。定位系統包括第一組一個或更多飛行器和第二組多個飛行器。第一組包括至少一個飛行器，其經配置從而發送飛行器的位置。第二組的每個飛行器經配置從而從至少三個位置源接收位置。至少三個位置源包括第一組飛行器的飛行器。第二組的每個飛行器也經配置從而部分基於接收的位置計算在未來時間的飛行器的預測位置，並且從而在未來時間將預測位置發送到一個或更多接收器。在還另一方面，提供飛行器。該飛行器包括接收器，其經配置從而從多個位置源接收源位置。位置源包括遠程飛行器。該飛行器也包括一個或更多處理器，其通信地耦合接收器，並且經編程從而至少部分基於接收的源位置確定飛行器的位置並且生成表示飛行器運動的天文歷數據。該飛行器進一步包括發射器，其通信地耦合到處理器並且經配置從而發送所確定的飛行器位置和生成的天文歷數據。已經討論的特徵、功能和優點能夠在本發明的各種實施例中獨立實現，或者可以在其他的實施例中結合，其進一步的細節能夠參考下列描述和附圖看出。
圖1是示出示例性的定位系統的框圖。圖2是示出示例性的飛行器的框圖，該飛行器可以與圖1所示的定位系統一起使用。圖3是示出用於提供位置信息給接收器的示例性方法的流程圖。圖4是示出具有三組飛行器的示例性定位系統的框圖。
具體實施例方式在各種實施例中，提供用於提供位置信息的儀器和方法。這種實施例便於在缺少可使用的基於衛星或者陸基定位信號時由移動接收器精確確定位置。這裡提供的實施例便於使用定位硬體耦合機載的飛行器擴展來自已知點的大地測量服務。飛行器可以包括但不限於一個或更多固定翼飛機、旋轉翼飛機、氣球和能夠空中飛行的任何其他交通工具，無論是飛行員駕駛還是無人駕駛的(例如，自主的或者遙控的)。如這裡所使用的，「位置源」是發送位置信息的任何裝置，位置信息諸如是裝置的位置、發送位置信息的時間和指示裝置運動的天文歷數據(如果有的話)中的一個或更多，但不限於此。位置源可以包括衛星，諸如全球定位系統(GPS)衛星或者替代衛星(例如，銥衛星)、地面站和諸如這裡所述的飛行器的交通工具。這裡所述的方法便於將由任何位置源提供的定位能力擴展到比這些位置源直接覆蓋的區域大或者遠的地區，和到那些位置源不可用的地區。圖1是示出示例性定位系統100的框圖。在系統100內，移動接收器105需要位置信息。例如，移動接收器105可以包括基於地面的裝置，諸如手持全球定位系統(GPS)接收器、基於交通工具的導航系統、或者目標系統。在示例性的實施例中，多個地面站110經配置從而發送用於移動接收器105使用的位置信息。在一些實施例中，每個地面站110與預定位置相關聯，並且經配置從而發送(例如，廣播)預定位置和該位置正在被發送的時間。在一個實施例中，地面站110是差分GPS (DGPS)站。在示例性的實施例中，移動接收器105能夠從三個或更多地面站110接收所發送的信息，並且移動接收器105能夠基於所接收的信息確定其位置。然而，在一些方案中，由於諸如移動接收器105和地面站110之間的距離或移動接收器105和地面站110之間沒有清晰視線的因素，在移動接收器105從地面站110直接接收位置信息是不可行或者不可能的。例如,如果一個或更多障礙物(例如結構或地理特徵)位於移動接收器105和地面站110之間，那麼移動接收器105和地面站110之間的清晰視線不可能存在。取決於移動接收器105距離地面站110放置的距離，地球表面曲率可以創造這種障礙物。由地面站110提供的定位服務可以通過使用諸如無人駕駛的或者無人操作的飛行器(UAV)的多個飛行器115擴展至移動接收器105。在示例性的實施例中，飛行器115的第一組120被定位在地面站110的通信範圍內。在第一組120中包括的每個飛行器115都從地面站110接收位置信息，確定飛行器115的預測位置，並且發送(例如，廣播)位置信息，該位置信息可以包括但不限於僅僅包括預測位置、發送預測位置的時間和表示飛行器115的運動的天文歷數據。例如，天文歷數據可以由飛行器115基於當前速度、用於飛行器115的編程飛行路徑和在飛行器115的當前時間中的一個或更多生成。飛行器115的第二組125被定位在遠離第一組120，但是在第一組120的通信範圍內。例如，飛行器115的第一組120和第二組125中的一個或兩者可以被定位在使得第一組120和第二組125之間能夠信號通信的高度。進一步，在示例性實施例中，該高度可以經選擇從而便於擴展飛行器115的通信範圍(例如，通過避免地球的障礙)、從而便於減少飛行器115的能量消耗或者從而便於保護飛行器115不受幹擾或者攻擊。第二組125也被定位在移動接收器105的通信範圍內。同樣地，飛行器115的第二組125中的每個飛行器115都從三個或更多位置源接收位置信息，這些位置源不與第二組125關聯或者不位於第二組125中。例如，每個飛行器115可以從預定位置源和定位在距離飛行器115 —定距離的位置源的一個或兩者接收位置信息，該距離大於預定的閾值距離。在示例性的實施例中，第二組125中四個飛行器115的每個都從第一組120中三個飛行器115的每個接收位置信息。至少部分基於當前時間和所接收的位置信息，第二組125的每個飛行器115都確定其自己的位置。然後，第二組125的每個飛行器115都發送位置信息，移動接收器105使用該信息確定移動接收器105的位置。在示例性的實施例中，移動接收器105基於來自四個位置源的位置信息確定其自己的位置。每個飛行器115可以得到當前時間(例如，來自機載原子鐘)，並且可操作從而基於當前時間和來自三個位置源的位置信息確定它自己的位置。在一些實施例中，飛行器115是無人駕駛的、遙控的或者兩者。在部署之前或部署以後，利用飛行路徑設定飛行器115。例如，該飛行路徑可以命令飛行器115飛到一個或更多預定位置並處在一個或更多預定高度，然後一到達預定位置就在軌道(例如，圓形的或者橢圓形的圖案)中行進。在一個實施例中，第二組125內的飛行器115可以利用飛行路徑被命令並且處在足夠高的高度，該飛行路徑限定接近移動接收器105的軌道，該高度足以便於保護飛行器115免於受到陸基攻擊。例如，在一個實施例中，飛行器115可以進入超過10,000英尺的高度的軌道。飛行器115可以要求偶然加燃料。因此，在一些實施例中，飛行器115可以有選擇地被轉向或者旋轉通過地區或者組。例如，由於第二組125內的飛行器115接近用於加燃料的時間框架，所以替換飛行器115可以被分派給第二組125的地區。當替換飛行器115到達該地區時，這些替換飛行器115開始接收並發送位置信息，並且第二組125內的原始飛行器115可以被導向維護設施，其可以包括加油站。這種實施例使得能夠給移動接收器105提供連續的定位服務。在一些實施例中，在飛行器115的每個部署或起飛之前，飛行器115機載原子鐘與在維護設施的參考時間源同步。圖2是示出示例性的飛行器115的框圖，該飛行器115可以與定位系統100 —起使用。圖3是示出示例性方法300的流程圖，該方法可以用於使用飛行器115提供位置信息給接收器，諸如移動接收器105 (圖1中示出)。在示例性的實施例中，飛行器115包括一個或更多處理器205和存儲器裝置210。處理器205經編程從而執行計算機可執行指令，其可以被存儲在存儲器裝置210中，從而操作飛行器115，包括其部件。例如，這裡所述操作的任何一個或全部可以被編碼為計算機可執行指令並且由處理器205執行。存儲器裝置210也可以經配置從而存儲與飛行器115的配置關聯的數據、飛行器115的飛行路徑、表示飛行器115的運動的天文歷數據和任何其他適合與這裡所述的方法使用的數據。在示例性的實施例中，飛行器115包括一個或更多接收器215，其通信耦合到處理器205。接收器215從多個位置源接收(305)位置信息，這些位置源可以包括地面站110(圖I中所示)、定位衛星(例如，圖4中所示的GPS衛星)及其他飛行器115，但不限於只包括這些。這些位置信息包括源位置(例如，位置源的位置)、發送位置信息的時間(例如，日期/時間戳)和表示位置源的運動的天文歷數據中的一個或更多，但不限於只包括這些。處理器205經編程從而生成(310)表示飛行器115的運動的天文歷數據。在一些實施例中，飛行器115包括慣性測量單元(IMU) 220，其提供速率數據、方向數據或者兩者。該天文歷數據可以至少部分基於MU220提供的數據生成(310)。在示例性的實施例中，處理器205至少部分基於所接收的位置信息確定(315)飛行器115的瞬時或者預測位置。在一個實例中，通過基於來自接收器215的接收的位置信息最初計算瞬時位置，然後基於瞬時位置和由MU220提供的速率數據、方向數據或者兩者計算預測位置來確定315預測位置。飛行器115包括一個或更多發射器225，其通信耦合到處理器205。每個發射器225發送(320)(例如，廣播)位置信息，包括飛行器115的確定的位置和天文歷數據。在示例性的實施例中，發射器225包括通信裝置，該裝置可操作從而被用作定位衛星的代替物。這種通信裝置可以被稱為「假的衛星」或者「偽衛星」。在一些實施例中，接收器215使用第一頻率接收(305)位置信息，並且發射器225使用第二頻率發送(320)位置信息。在這些實施例中，飛行器115內的接收器215和發射器225之間的幹擾被大體上去除。在一些實施例中，發射器225控制運載位置信息的信號的強度。例如,處理器205可以確定飛行器115和一個或更多目標(例如，遠程飛行器、基於地面的接收器或者兩者)之間的距離，並且發射器225可以用直接隨距離變化的信號強度發送320位置信息。除此之夕卜，或者可替換地，發射器225可以使用波束髮送(320)位置信息，其中該波束形狀限制信號到目標被定位在其中的地區的傳播。位置信息可以包括確定位置的時間/日期或者發送位置信息的時間/日期。時間值可以與位置結合用於確定(315)飛行器115的位置。例如，可以從當前時間減去傳輸時間，從而確定位置源和飛行器115之間的傳播延遲。位置源和飛行器115之間的距離可以從傳播延遲導出。在一些實施例中，飛行器115包括原子鐘230，其提供指示當前時間的時間信號。原子鐘230可以與諸如另一個原子鐘的參考時間源同步(302)，該時間源用於同步一個或更多位置源。例如，在維護飛行器115時或者飛行器115起飛之前，可以實行同步302。在示例性的實施例中，所確定(315)的位置指示飛行器115在未來時間的預測位置。該預測位置可以基於當前時間和未來時間(例如，由MU220提供的速率數據、方向數據或者兩者所指示的)之間的飛行器115的預測運動或者位移。在確定(315)預測位置後，原子鐘230用於確定(317)是否已經到達未來時間。當到達未來時間時(例如，當由原子鐘230報告的當前時間等於或者大於未來時間時)，發射器225發送(320)位置信息，其可以包括傳播時間。在一些實施例中，飛行器115被遠距離地、自治地或者遠距離自治地操作。在這些實施例中，接收器215可以從一個或更多遙控站(未示出)接收指令，諸如導航輸入和控制輸入。例如，接收器215可以接收限定飛行器115行進的路線或者路徑的飛行路徑。該飛行路徑可以包括在預定位置(例如，包括預定高度)的軌道。在一個實施例中，飛行器115按照這裡所述的方法確定其位置和運動，並且使用所確定的位置和運動沿著飛行路徑導航。
由接收器215接收的指令可以被提供到路徑控制器235。路徑控制器235接收這些指令並且和其他系統交互，諸如交通工具系統(VMS)和任務管理系統(MMS)中的一個或更多，兩者都可以由處理器205執行。例如，VMS可以操作一個或更多控制裝置240，諸如用於領航飛行器115的飛行控制表面(例如，副翼、升降舵、或者方向舵)、節流閥、電機、閥門、致動器和開關，但不限於此。MMS可以管理用於飛行器115的期望軌道，無論是預編程的或者經由接收器215接收的。飛行器115也可以包括一個或更多發射器225，其經配置從而發送數據，諸如從機上照相機(未示出)到遙控操縱器的遙測數據或者視頻。因為包括飛行器115的自動或遠程控制的實施例不需要機上人類駕駛員，所以這些實施例便於飛行器115到作業區的長期部署(例如，幾天或者幾個星期)。例如，飛行器115可以被編程具有限定從基地到目的地的路線的飛行路徑、目的地上方的軌道和限定從目的地到基地的回程飛行路徑。進一步，這些實施例使得飛行器115能夠在平流層內工作，對於有人駕駛飛行這需要重要的住所(例如，增壓)。圖4是示出使用三組飛行器115的示例性定位系統400的框圖。在示例性的實施例中，系統400包括第一組405、第二組410和第三組415飛行器115。第一組405包括第一飛行器421、第二飛行器422和第三飛行器423。第二組410飛行器115包括第四飛行器424、第五飛行器425和第六飛行器426。第三組415飛行器包括第七飛行器427、第八飛行器428、第九飛行器429和第十飛行器430。第一組405內的飛行器115從兩個地面站110和衛星435接收位置信息，衛星435諸如是中地球軌道(MEO)或者低地球軌道(LEO)中的衛星。在示例性的實施例中，第一組405發送位置信息，並且第二組410中的每個飛行器115基於從第一組405接收的位置信息確定其自己的位置。第二組410內的第六飛行器426也從另外的地面站440接收位置信息。在一個實施例中，第六飛行器426進一步根據從地面站440接收的位置信息確定其位置。在另一個實施例中，當確定其位置時第六飛行器426提供比第一飛行器421更高的重量給地面站440。例如，第六飛行器426可以基於位置源類型(例如，地面站、飛行器和衛星)、位置源可靠性或者兩者分配重量給地面站440，該重量比分配給第一飛行器421的重量大。第二組410中的每個飛行器115發送位置信息，並且第三組415內的每個飛行器115基於從第二組410接收的位置信息確定其位置。第三組415中的飛行器115也發送位置信息，第一移動接收器445由此確定第一移動接收器445的位置。儘管示例性的實施例描述只是用三組飛行器115將位置信息從地面站110和衛星435延伸到第一移動接收器445，但是可以使用任何數目的飛行器115，因此增加可以傳播位置信息的距離。移動接收器不需要只從單個集合內的那些飛行器115接收位置信息。例如，第二移動接收器450基於從第二組410和第三組415兩者內的飛行器115接收的位置信息確定它的位置。第三移動接收器455使用來自第二飛行器422、第三飛行器423、第六飛行器426和地面站440的位置信息確定它的位置。如這些例子所說明的，可以合併任何三個或更多位置源，從而確定飛行器115的位置(例如，結合來自機上原子鐘的當前時間)，並且可以結合任何四個或更多位置源，從而確定移動接收器的位置。這裡所述的方法和儀器便於使用飛行器將定位能力從諸如地面站和衛星的多個已知受控位置源擴展到不可直接從其進入這些位置源的地區。因此，即使當直接在基於地面的接收器接收常規、基於衛星的信號或者地面站信號不可行時，基於地面的接收器可以基於由飛行器發送的位置信息準確地確定其位置。這裡參考特定的定位系統配置描述實施例。然而，設想的是，所述的方法和儀器可以用任意數量的飛行器、地面站、衛星和適合用於這裡所述的方法的接收器操作。本公開的主題利用在此的具體性描述，從而滿足法定要求。然而，描述本身不是意圖限制本專利的範圍。更確切地，已經預期，結合其他現有或未來技術，也可能以其他方式體現所要求保護的主題，從而包括不同的步驟或者類似於本文件中所述的步驟的組合。此夕卜，儘管術語「步驟」、「框」或者「操作」在這裡可以用於暗示所採用方法的不同元素，但是，這些術語不應該被解釋為暗示這裡所公開的各個步驟之中或之間的任何特定順序，除非且除了當明確描述單獨步驟的順序時。這裡所述的方法可以被編碼為包括在計算機可讀媒體中的可執行指令，其中計算機可讀媒體包括存儲裝置或者計算裝置的存儲區，但不限於此。當由一個或更多處理器執行時，這些指令使得(多於一個)處理器實行至少一部分這裡所述的方法。這個書面的描述使用實例公開所述實施例，該描述包括最佳方式，並且也使得本領域任何技術人員能夠實踐所述實施例，包括做出並使用任何裝置或系統，和實行任何併入的方法。專利保護的範圍由權利要求限定，並且可以包括本領域技術人員想到的其他實例。這種其他實例意圖都在權利要求的範圍內，無論其是否具有不同於權利要求的文字語言的結構元件，或者無論其是否包括與權利要求的文字語言無實質差別的等價結構元件。
權利要求
1.一種用於從多個飛行器提供位置信息給移動接收器的方法，所述方法包含: 在所述多個飛行器的每個飛行器從至少三個位置源接收源位置，其中所述至少三個位置源包括至少一個遠程飛行器； 在每個飛行器至少部分地基於在該飛行器的當前時間、所接收的源位置和表示每個遠程飛行器的運動的天文歷數據，計算所述飛行器在未來時間的預測位置；和 在每個飛行器發送在所述未來時間的所述預測位置，其中來自所述飛行器的被發送位置由移動接收器用於確定所述移動接收器的當前位置。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包含，在所述多個飛行器的第一飛行器從不同於所述第一飛行器的至少三個飛行器接收源位置。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步地包含將所述預測位置從所述多個飛行器的第一飛行器發送到遠程飛行器，遠程飛行器不包括在所述多個飛行器內。
4.根據權利要求1所述的方法，其中將所述預測位置發送到遠程飛行器包含將所述預測位置發送到如下的飛行器，該飛行器沒有到所述位置源的清晰視線，所述第一飛行器從所述位置源接收源位置。
5.根據權利要求1所述的方法，其中每個飛行器包括原子鐘，所述方法進一步包含使每個飛行器的所述原子鐘與參考時間源同步。
6.一種定位系統，包含: 第一組一個或更多飛行器，其包含至少一個飛行器，該飛行器經配置從而發送該飛行器的位置；和 第二組多個飛行器，所述第二組中所述多個飛行器的每個經配置從而: 從至少三個位置源接收位置，其中所述至少三個位置源的每個包括所述第一組飛行器的飛行器； 至少部分基於所接收的位置計算所述飛行器在未來時間的預測位置；和 在所述未來時間將所述預測位置發送到一個或更多接收器。
7.根據權利要求6所述的定位系統，其中所述第二組飛行器的每個飛行器都經配置從而從所述第一組飛行器的至少三個飛行器接收位置。
8.根據權利要求6所述的定位系統，進一步包含至少一個地面站，其經配置從而發送所述地面站的預定位置，其中所述第二組飛行器的每個飛行器進一步經配置從而從所述地面站接收位置。
9.根據權利要求6所述的定位系統，進一步地包含移動接收器，其經配置從而: 從所述第二組飛行器接收所發送的位置；和 至少部分地基於所接收的位置確定所述移動接收器的位置。
10.一種飛行器，包含: 接收器，其經配置從而從多個位置源接收源位置，所述位置源包括遠程飛行器； 一個或更多處理器，其通信耦合到所述接收器，所述一個或更多處理器經編程從而: 至少部分地基於所接收的源位置確定所述飛行器的位置；和 生成表示所述飛行器的運動的天文歷數據；和 發射器，其通信耦合到所述一個或更多處理器，所述發射器經配置從而發送所確定的所述飛行器的位置和所生成的天文歷數據。
11.根據權利要求10所述的飛行器，其中所述接收器進一步經配置從而從所述遠程飛行器接收天文歷數據並且進一步基於所接收的天文歷數據確定所述飛行器的位置。
12.根據權利要求10所述的飛行器，其中所述接收器進一步經配置從而從多個遠程飛行器接收源位置。
13.根據權利要求10所述的飛行器，進一步包含原子鐘，其經配置從而提供時間信號，其中所述發射器進一步經配置從而基於所述時間信號發送時間。
14.根據權利要求13所述的飛行器，其中所述處理器經編程從而進一步基於所述時間信號確定所述位置。
15.根據權利要求13所述的飛行器，其中所述處理器經編程從而: 通過確定所述飛行器在未來時間的預測位置確定所述位置；和 發送在所述未來時間的所述預測位置。
16.根據權利要求10所述的飛行器，進一步包含慣性測量單元，其經配置從而提供速率數據，其中所述處理器經編程從而進一步基於所述速率數據確定所述飛行器的位置。
17.根據權利要求10所述的飛行器，其中所述發射器經配置從而將所確定的位置發送到移動接收器。
18.根據權利要求10所述的飛行器，其中所述接收器經配置從而從低地球軌道衛星和中地球軌道衛星中的至少一個接收源位置。
19.根據權利要求10所述的飛行器，進一步包含交通工具管理系統，其經配置從而基於從遙控站接收的控制輸入領航所述飛行器。
全文摘要
根據一個實施例，提供用於從多個飛行器提供位置信息給移動接收器的方法。該方法包括從在多個飛行器的每個飛行器的至少三個位置源接收源位置。至少三個位置源包括遠程飛行器。至少部分基於在飛行器的當前時間、接收的源位置和表示每個遠程飛行器的運動的天文歷數據，在每個飛行器計算飛行器在未來時間的預測位置。在每個飛行器在未來時間發送預測位置。來自飛行器的發送的位置由移動接收器用於確定移動接收器的當前位置。
文檔編號G01S5/00GK103080766SQ201180040761
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月22日 優先權日2010年8月24日
發明者B·R·布雷希爾斯 申請人:波音公司