弹性分布式定位网络制造技术

方法和技术使用频谱和/或时间冗余信标网络来提供安全、低延迟、高精度的定位和定时。将信标从网络节点传输到网络用户、将信标从网络用户传输到网络节点、或者将信标通过网络用户使用弯管转发器转发至网络节点或从网络节点转发。高频谱效率的信标空中接口在传输的信标信号上引入频谱冗余或时间冗余中的至少一个，并且用于利用冗余的装置可以在集中式网络运营中心处以一精度分离信标，该精度取决于高于接收器本底噪声的那些信号的功率，而不是在相同时间和相同频率接收到的其他信标信号。特定的信标传输参数用于确定符合美国联邦航空管理局对1类小型无人驾驶飞机系统的规定的空中网络用户的定位和定时。网络用户的定位和定时。网络用户的定位和定时。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】弹性分布式定位网络
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求于2021年1月15日提交的申请号为63/138,300的美国专利申请以及于2020年2月3日提交的申请号为62/969,264的美国专利申请的优先权，上述两个美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。


[0003]下文涉及使用信标发射器网络进行定位和定时的方法、系统和设备，该方法、系统和设备可以提供高精度、针对尤其由于信标在相同时间和相同频率信道上传输而造成的同信道干扰的恢复能力以及针对干扰和欺骗攻击的安全性的组合。

技术介绍

[0004]高精度、低延迟的定位、导航和定时(Positioning,Navigation,and Timing，PNT)对用于小型无人机系统(Small Unmanned Aerial Systems，sUAS)和自动驾驶汽车的管理和导航的下一代室外系统的成功而言至关重要，并且该高精度、低延迟的定位、导航和定时用于下一代室内系统以便使工业物联网(Industrial Internet of Things，IIoT)成为可能并且满足联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)对室内E911手机通话强制执行的
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3米第80个百分位的Z轴要求(正处于审查以减少到
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2米)。在新兴的商用无人机行业，随着sUAS的普及，对1类(商用类)小型无人机系统(sUAS)之间以及sUAS与其他物体之间的碰撞检测和规避已经成为一个问题。随着诸如亚马逊和谷歌等商业企业推出其无人机送货服务，使得这些飞行器的密度以及对用于将它们导航到目的地的超视距(Beyond
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Sight，BVLOS)命令和控制(Command and Control，C2)程序的需求急剧增加，解决这些问题将变得至关重要。出于这个原因，快速、准确和跨空域共享的PNT将成为下一代UAS交通管理(UAS Traffic Management，UTM)系统的关键组成部分，该系统在诸如由NASA开发的UTM试点项目(UTM Pilot Project，UPP)之类的常规空中交通管理(Air Traffic Management，ATM)系统之下和之外运行。由于1类sUAS的低海拔高度和雷达横截面使得它们难以使用传统的ATM雷达来进行检测和定位，因此UTM概念依赖于来自sUAS本身的位置报告，该位置报告在sUAS运行期间定期地进行或者应监控运行的UTM服务供应商(UTM Service Suppliers，USS)的要求而进行。随着sUAS的数量和密度的增长，对这种定位信息的时效性和精度要求也会越来越高。
[0005]当前的PNT概念使用从全球卫星导航系统(Global Satellite Navigation System，GNSS)接收的信号来提供该定位信息，该全球卫星导航系统例如为由美国运营和维护的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)并且由UAS上机载的GNSS芯片组来启用。除了少数例外(例如B.Agee于2016年6月在Proc.2016ION联合导航会议发表的“民用GNSS信号的盲检测、解调和分离”，和B.Agee于2020年9月被授予的第10,775,510号美国专利“用于弹性PNT应用的民用GNSS盲解扩”)，这些系统依赖于“相关”或“匹配滤波器”方法，这些方法检测GNSS信号并通过将接收到的信号与发射的测距码的副本相关联来估计该
GNSS信号的地理可观测量(例如在接收器处观察到的信号的到达时间(Time
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Arrival，TOA)和到达频率(Frequency
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Arrival，FOA))，并且在对从卫星飞行器(Satellite Vehicle，SV)到接收器的飞行时间进行补偿的调试TOA中，以及在对卫星与接收器之间的多普勒频移进行补偿的调试FOA中进行搜索。在“冷启动”场景中，在接收器的可能的视场(Field of View，FoV)内，卫星的特定测距码是未知的，并且接收器的内部时钟与通用时间坐标(Universal Time Coordinate，UTC)不同步，这需要对整个可能的测距码的库(例如，当前在轨的31颗GPS卫星的31个测距码)与接收到的信号进行进一步的关联，并估计这些信号和每个复制码之间的观察到的TOA和FOA，即，在接收操作期间引起的额外的未知定时偏移和载波偏移。在没有任何关于卫星代码和相对于接收器的定时/载波偏移的先验信息的情况下，完成该搜索所需的首次定位时间(Time
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To
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First
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Fix，TTFF)可能超过30秒(冷启动TTFF)，而如果代码锁定丢失几个小时(热启动(warm
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start)TTFF)或短时间丢失(热态启动(hot
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start)TTFF)丢失，则可能花费1到2秒，并且在该时间段内耗电量巨大。此外，完整的定位和定时(Positioning and Timing，P/T)解决方案需要了解SV的星历(随时间变化的轨迹)，例如，使用通过GPS导航信号传输的GPS卫星历书，这要耗费12.5分钟来完整下载该卫星历书。即使这样，也需要采集至少四个GPS信号来提供初始P/T解决方案。
[0006]此外，GNSS测距信号具有固有的低接收入射功率(Received Incident Power，RIP)，这是由于从中地球轨道(Medium
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Earth Orbit，MEO)或(用于印度海军和日本QZSS系统的)地球同步轨道(Geo
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Synchronous Orbit，GSO)中的卫星进行传播造成的。例如，GPS L1 C/A信号被强制规定在地面具有至少
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130dBm的RIP，即，假设具有4dB的累积接收器噪声系数，在该信号的2.046MHz的零点到零点带宽上具有
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20dB的信噪比(Signal
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to
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Noise Ratio，SNR)。这些信号在实践中很容易被抑制10到20dB，例如，由于树木、树叶和建筑物墙壁的衰减，并且可能在山谷和城市峡谷中完全丢失。在RIP低于
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150dBm(SNR低于
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40dB)时，例如由于将GPS信号抑制到或低于本底噪声，即使在将信号解扩到50比特每秒(bit
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per
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second，bps)的GPS导航信号速率(～43dB处理增益)之后采集也可能完全失败，或者由于1023芯片C/A复制码与从GPS SV接收的实际码之间的非零(
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24dB)互相关所引起的“错误锁定”(例如，A.Brown、P.Ol本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，包括：从网络节点向网络用户传输信标信号、从网络用户向网络节点传输信标信号、或者通过网络用户向网络节点转发信标信号和从网络节点转发信标信号；其特征在于，在所述信标信号中引入频谱冗余和时间冗余中的至少一种；以及利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种在网络用户、网络节点或中央处理站点处分离接收到的信号中的所述信标信号。2.根据权利要求1所述的方法，还包括根据从所述接收到的信号中分离出的信标信号确定地理能观测量，以及根据所述地理能观测量确定定位和/或定时。3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述接收到的信号中分离出的所述信标信号被以一精度进行分离，所述精度取决于所述信标信号的、在接收器本底噪声之上的功率，并且与在相同时间和相同频率接收的其它信标信号无关。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中央处理站点为网络运营中心，包括5G新无线电多址边缘计算机或无人机系统服务供应商，所述5G新无线电多址边缘计算机或无人机系统服务供应商用于经由通信链路为所述网络节点中的每一个提供配置数据或时间符号。5.一种计算机程序产品，其特征在于，一种计算机可读介质，包括：用于使计算机实现如权利要求1至4中任一项所述的方法的代码。6.一种设备，包括至少一个处理器和与所述至少一个处理器进行电子通信的至少一个存储器，其特征在于，所述至少一个存储器存储有指令，所述指令能够被所述至少一个处理器执行以实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。7.一种设备，包括：用于从网络节点向网络用户传输信标信号的装置、用于从网络用户向网络节点传输信标信号的装置、或用于通过网络用户向网络节点转发信标信号和从网络节点转发信标信号的装置；其特征在于，用于在所述信标信号中引入频谱冗余和时间冗余中的至少一种的装置；以及用于利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种在网络用户、网络节点或中央处理站点处分离接收到的信号中的所述信标信号的装置。8.根据权利要求7所述的设备，还包括：用于根据从所述接收到的信号中分离出的信标信号确定地理能观测量的装置，以及用于根据所述地理能观测量执行定位和/或定时的装置。9.根据权利要求7所述的设备，其中，用于利用的装置被配置为以一精度从所述接收到的信号中分离出所述信标信号，所述精度取决于每个所述信标信号的、在接收器本底噪声之上的功率，并且与在相同时间和相同频率接收的其它信标信号无关。10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述中央处理站点为网络运营中心，包括5G新无线电多址边缘计算机或无人机系统服务供应商，所述5G新无线电多址边缘计算机或无人机系统服务供应商用于经由通信链路为所述网络节点中的每一个提供配置数据或时间符号。11.一种方法，包括：从网络节点向网络用户传输信标信号、从网络用户向网络节点传输信标信号、或者使
用弯管转发器通过网络用户向网络节点转发信标信号和从网络节点转发信标信号；其特征在于，在所述信标信号的每一个中引入频谱冗余和时间冗余中的至少一种，从而使得接收器能够利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种来分离接收到的信号的快照中的所述信标信号中的多个信标信号。12.根据权利要求11所述的方法，其中，引入包括：确定性地、伪随机地或不可预测地选择内码和外码、组合所述内码和所述外码以产生子载波矢量、以及对所述子载波矢量执行多音调制以产生时域信号。13.根据权利要求12所述的方法，其中，选择所述内码和所述外码以提供具有低峰均功率比的子载波矢量和/或提供具有低互相关的一组子载波矢量。14.一种计算机程序产品，其特征在于，一种计算机可读介质，包括：用于使计算机实现如权利要求11至13中任一项所述的方法的代码。15.一种设备，包括至少一个处理器和与所述至少一个处理器进行电子通信的至少一个存储器，其特征在于，所述至少一个存储器存储有指令，所述指令能够被所述至少一个处理器执行以实现如权利要求11至13中任一项所述的方法。16.一种设备，包括：用于从网络节点向网络用户传输信标信号的装置、用于从网络用户向网络节点传输信标信号的装置、或者用于使用弯管转发器通过网络用户向网络节点转发信标信号和从网络节点转发信标信号的装置；其特征在于，用于在所述信标信号的每一个中引入频谱冗余和时间冗余中的至少一种，从而使得接收器能够利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种来分离接收到的信号的快照中的所述信标信号中的多个信标信号的装置。17.根据权利要求16所述的设备，其中，用于引入的装置被配置为确定性地、伪随机地或不可预测地选择内码和外码、组合所述内码和所述外码以产生子载波矢量、以及对所述子载波矢量执行多音调制以产生时域信号。18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述内码和所述外码被选择以提供具有低峰均功率比的子载波矢量和/或提供具有低互相关的一组子载波矢量。19.一种方法，包括：生成接收到的多个信标传输的快照，所述多个信标传输中的每一个都具有频谱冗余和时间冗余中的至少一种；以及利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种来分离所述快照中的信标传输中的多个信标传输。20.根据权利要求19所述的方法，其中，在网络用户处或在网络节点处执行生成和利用；或者其中，在网络用户处执行生成并在网络运营中心处执行利用；或者其中，在网络节点处执行生成并在网络运营中心处执行利用；或者其中，在网络用户处执行生成并在网络节点处执行利用。21.一种计算机程序产品，其特征在于，一种计算机可读介质，包括：用于使计算机实现如权利要求19至20中任一项所述的方法的代码。
22.一种设备，包括至少一个处理器和与所述至少一个处理器进行电子通信的至少一个存储器，其特征在于，所述至少一个存储器存储有指令，所述指令能够被所述至少一个处理器执行以实现如权利要求19至20中任一项所述的方法。23.一种设备，包括：用于生成接收到的多个信标传输的快照的装置，所述多个信标传输中的每一个都具有频谱冗余和时间冗余中的至少一种；以及用于利用频谱冗余和时间冗余中的至少一种来分离所述快照中的信标...

【专利技术属性】
技术研发人员：布莱恩，
申请(专利权)人：布莱恩，
类型：发明
国别省市：