CN1005594B - 运载工具定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种运载工具定位系统（ＶＬＳ）它用于远距离确定在特定地理区域内运行的、相当大量的运载工具的位置，这种系统包含大量的，例如数百万个装在运载工具上的发射机，和若干基准发射机；并包含第一个、第二个和第三个信号中继站，和一个确定发射机位置的中央处理站。中央站通过常规线路连连接到系统的用户站。

Description

运载工具定位系统
一般说来，本发明是关于远距离确定可动物体位置的设备和方法，诸如汽车、卡车、火车车厢、轮船、小船等，一般统称运载工具。本发明特别是关于在集中控制站处理由装在这类物体上的发射机发送的射频信号，以确定这类物体位置的设备和方法。
有关地面车辆、船舶、飞机和类似物体位置的信息，从包括业务方面、安全方面、保安方面在内的许多方面考虑都是重要的。众所周知，用于确定这类物体的设备和方法，近几个世纪以来变化很大。在过去几十年间，在精度和精巧性方面已经有很大改进。
以历史上早期的海洋导航员为例，一旦航行到熟悉的陆地标志的视线以外时，他们经常依靠对洋流、流行风向和天空中星星位置的广博知识来确定他们的位置，借以指引驶向目的地的路径。以后，导航员有了计时器、罗盘、星盘和六分仪，用它们来确定自己的近似位置。更近一些，海洋导航和空中导航得益于各种型式的无线电定位设备，包括罗兰系统即远程无线电导航（LORAN）和它的变型。现在，现代船舶和飞机可依靠雷达、惯性导航设备和卫星导航系统精确地确定位置。
陆地上的导航要比海洋导航和空中导航容易得多。至少在地球上人迹所到的地区已被准确地画成了地图以后是这样。已知的陆地标志总可用于确定在陆地上所处的位置。对于没有地图或不熟悉的地区，已经在使用海洋导航设备和方法。
目前，在世界上大部分有人居住的地区，一个运载工具的驾驶员利用手头的地图，或通过询问当地居民，总是比较容易确定他们的位置的，至少在正常情况下是如此。然而对一个远离运载工具的控制中心来说，要在所有有实际意义的时间确定大量运载工具的位置，就是一个更困难和费用更大的问题，这些运载工具可能直接或间接处于控制中心的监督之下。即使认为运载工具驾驶员本身知道他们的运载工具所处的位置，要他们连续地向负责监督大量运载工具的控制中心提供这种位置信息，也存在着困难。
当然可以定期通过电话通报运载工具的位置，供例如销售人员使用，他们另外还可能要定期向其总部打电话报告他们的活动，并获取消息。然而在许多情况下，经常用电话通信是不切合实际的，并且无论如何是花费很大的。运载工具驾驶员使用运载工具上的短波无线电发射机，向控制中心作口头通报，这种办法常常用于向中心调度员提供卡车、出租汽车、警车、救护车和救火车所处的当地位置。然而，这种无线电通信对长距离通常是不现实的，以单个运载工具为基础也费用比较大，并且需要驾驶员参与。
已经公布了各种更加精巧的运载工具定位系统，例如麦克多伦（MacDoran）登记的美国专利NO.4，215，345和奥尼尔（ONeill）登记的美国专利NO.4，359，733。奥尼尔的专利公布了一种基于卫星的运载工具位置确定系统，它使用从陆上车辆和机携带的应答机发送的无线电编码信号，并使用了装在人造卫星上的中继站，向远距离的控制站转发从车辆及（或）飞机发来的无线电信号，控制站利用信号到达的时间确定车辆或飞机的位置。然而，仅在向车辆和飞机上的应答机发送询问信号时，才作出响应，才能从车辆或飞机获得无线电信号。这样，在这类系统中需要与车辆和飞机的双向通信，从而每个车辆和飞机需要兼有发射机和接收机。当车辆上和飞机上因其它目的的需要已经有了这些设备时，运载工具定位系统的费用才会比较低。然而在涉及陆上车辆的多数情况下，并非已经具备了，适当的无线电接收机和发射机，而增添这些设备的费用必须由运载工具定位系统承担，作为整个系统的费用的一部分。
麦克多伦的专利公布了一种运载工具定位系统，它以用几个电台检测从运载工具发来的无线电信号为基础。从每个电台接收到有精确时间格式的无线电信号，在作了时间标注后被转发到中心台。在中心台进行每个信号与其它信号的互相关分析，对所有可能的每对电台，确定信号从运载工具到达的时间差。中心台处理到达的时间差数据，在导出的双曲面的交叉处定出运载工具的位置。按麦克多伦公布的专利，每个发射脉冲的噪声特性被用于确定从所有各对接收台来的到达时间差。根据是否出现互相关信号来进行解码而对运载工具作出识别。因此，所有接收台必须由一个校准信标加以同步，而且这一系统不能处理重叠的信号。在公布时已经说明，由于不能处理重叠的信号限制了系统的应用，只能用于不超过100个运载工具的场合。
因此存在着一种需要，即需要有一种费用比较低的运载工具定位系统，它能够处理几千或几百万个运载工具;并需要有一种不要求专门同步、并且不要求昂贵的双向通信设备的运载工具定位系统。
按照本发明，运载工具定位系统可用于远距离确定进行在特定地区的大量运载工具的位置。组成运载工具定位系统的有一些适合装在运载工具上的，同样的自动的射频信号发射机;并有第一个、第二个和第三个（可能还有第四个）居高临下的中继站，用于接收从运载工具上的发射机发来的信号，并将这些信号转发给一个中央处理站。中央处理站对转发来的信号加以处理，以获取运载工具位置的信息，提供给本系统的用户。
每个发射机做成能发射射频信号，除每个发射机具有能把其独有的发射机识别码编到它所发射的信号中去的装置外，所有发射机的射频信号都是同样的。还有一点，每个发射机包含一个装置，能使它的信号按一个预先确定的重发速率发射。重要的是，每个发射机相对于其它发射机独立地工作。这样，这些发射机互相之间以随机的方式工作。
本发明的中心处理站，能够分别从第一个、第二个和第三个中继站接收和转发信号。这几个中继站互相远离，位于相对于运载工具定位系统所覆盖地区的已知位置上。组成中央处理站的有把接收到各转发信号分离开来的装置，特别是当输入信号互相重叠时;有将接收信号到达处理台的时间进行编码的装置;并有从信号的到达时间差（TDOA）确定有关发射机的位置的装置，从而可以确定装有这些发射机的运载工具的位置。
为了能分离转发的信号，每个发射机包含能将一个预先建立的同步码编入所发射的每个信号中去的装置，对所有发射机其同步码都是相同的。建议把这一同步码编入所发射的每个信号开头的同步符号中。这一同步符号的长度可以不超过例如得20微秒。跟在同步符号后面的是发射机识别符号。建议用六个识别符号。并建议每个识别符号有四个数据位，使每个识别位可有十六个不同的数字。采用这样一种数据结构，可以有166（16，772，216）个可能的数字组合。这样，就能逐个识别同样数目的发射机。
在中央处理站中，把转发来的信号彼此分离开的装置，包含能把编入同步符号中的同步数据与相应的储存码进行相关分析的装置，使得每个信号的开头即使在出现重叠的信号时也能被识别出来;还包含能从信号识别符号识别出发射机的数据相关装置，从而可确定装有被识别的发射机的运载工具。为了把识别符号解码，数据相关装置对每个数据位与贮存的每个可能的码作相关分析。这样，例如对接收到的包含四个二进制位的每个信息符号与十六种可能的组合加以比较，就可确定符号中包含的是那一种数位组合。建议一个完整信号的长度不超过约100微秒。还建议把发射机发出的信号编排成颁谱扩展格式，以便加强中央处理站对信号进行分离、并在分离后对信号进行解码的能力。
在本发明的实施方案中，至少有一些发射机包含能使信号重复速率变化的装置，以便仅通过改变信号重复速率就能从发射机向中央处理台通报消息。在这种情况下，一部分发射机可能配备运动传感装置。当运动使传感装置指示发射机处于静止状态时，改变信号重复速率的装置对运动传感装置作出响应，使得信号以第一种重复速率发送;当运动传感装置指示发射机处于运动时，信号以第二种重复速率发运。与处于静止的发射机相应的信号重复速率可以大大低于当发射机处于移动时的信号重复速率。这样，信号的通信是可以比所有发射机都按发射机处于移动时的重复速率发射信号可能出现的通信量要少。
有些运载工具上的发射机具有改变信号重复速率的能力，这些运载工具可以装上运载工具防盗装置。对运载装置防盗装置所发的电子信号作出响应，使发射机可按与运载工具受侵扰状况相应的一个预先确定的重复速率发送信号。这样，中心处理台就可向用户提供这种信息。按本发明的实施方案，在装有可以改变重复速率的发射机的运载工具上，还可增加或选择装上碰撞传感装置。当碰撞传感装置指示运载工具大概受到碰撞时，对碰撞传感装置的输出作出响应，使信号重复速率移到一个与碰撞状况相关的预先确定的重复速率。还可再进一步，有些发射机可以包括预先建立的消息有选择性地编码到所发射的信号中去的装置，以便在中央站解码。
还进一步建议让运载工具定位系统至少包含一个基准发射机，它装在相对于被系统覆盖的地区域的一个已知的固定位置。基准发射机做成能发射射频信号，这种信号与由装在运载工具上的发射机所射的信号类似。对于由基准发射机发出的信号用处理装在运载工具上的发射机发出的信号同样的方式进行处理，以便确定基准发射机的位置。这样，基准发射机已知的实际位置与计算得到的位置之间的差异，可以用来校准系统包括校准中继站的位置。
由于本发明的运载工具定位系统能容纳很大数量的运载工具，使系统分摊到单个运载工具的购买费用和运行费用能够非常低，从而对系统的用户有吸引力。
通过研究下列附图，可对本发明有更好的理解。
图1是按本发明描绘的一个运载工具定位系统（VLS）的示意图。用图示说明的方式，表示了一个覆盖美国大陆的全国性VLS。
图2是用于图1的VLS中的一个有代表性的射频（RF）信号发射机的功能框图，其中指明了发射机的主要部件。
图3是表示图2中的发射机发射的一个RF信号图，指明了把信号划分成各个符号;并指明了应用扩展谱技术把信号的同步符号用多个称为中的信号单元代表。
图4是描述发射机中定序器部分的典型输出的图。
图5是一个矮的园柱形盒子的透视图。图2所示的发射机可以装在里面。用这个盒子可以把发射机装到运载工具或其它物体上。
图6是一个中央数据处理站的功能框图。在那里可以确定发射机（运载工具）的位置。
图7是用于中央数据处理站的一个有代表性的信号相关器的功能框图。
图8是图7中的相关器的信号同步相关器部分的一个功能框图。
图9是中央处理站的一个工作流程图。
按本发明，运载工具定位系统（VLS）20如图1所描绘。正如用图示说明的办法描述本发明时表示的，VLS20能在整个美国大陆上工作，从而可以看作一个全国性的运载工具定位系统（NVLS）但是VLS20的应用不仅仅限于美国大陆，也不仅仅限于任何特定的地区，而能在某些限制下很好地应用于世界上大多数地区，这些限制通过下面的说明自然会得到澄清。VLS也不限于在各大洲地区应用，它也能很好地用于州、县和城市这样较小的地区。
正如下面的叙述中特别提到的，VLS20是按向远距离的、运载工具以外的地方提供运载工具位置信息的要求配置，而不是专门为了向那些与VLS关连的运载工具提供运载工具位置信息的。从而，本发明的主要目的是以比较低的价格，向一个集中控制中心提供有关大量运载工具位置的信息。从集中控制中心可通过普通的、已经存在的装置，把有关运载工具的信息通报给下列系统的这样一些用户，如卡车公司、汽车公司、运载工具出租公司和铁路公司，也可提供给对得到最新的运载工具位置信息感兴趣的其它公司或个人。
要强调的一点是，这里使用的“运载工具”一词应作广义的理解，不仅包括小汽车、卡车和公共汽车，实际上也包括任何型式的可动物体，诸如小船、轮船、火车头、各种机动车辆、建筑设备、活动房子和飞机。还有一点，本发明的VLS还能适应于供个人使用。
正如这里描述的，重要的一点是VLS20能通过使用小型、低价、标准化的运载工具发射机，做到分摊到单个运载工具的装备费用和运行费用相当低。这些发射机互相之间随机地（而不是同步地）发送射频（RF）信号。每个发射机的射频信号，除了其独有的发射机识别码外都是同样的。
如图1所说明，组成VLS20的有一个中央处理站或集中处理中心22，在那里由发射信号的到达时间差（TDOA）计算出运载工具的位置。VLS20至少有第一个、第二个和第三个居高临下的射频信号中继站24、26和28，它们接收运载工具发射机所发的RF信号，并把这些信号中继或转发给处理中心22供处理。组成VLS20的还有大量“运载工具发射机”，在图1中仅表示出其中三个，用标记数字30，32和34加以识别。任一特定VLS馆用的或容纳的运载工具发射机的数目，取决于下列这样一些因素：VLS服务的地区的大小，VLS的用户的数目以及VLS所着眼的目标和范围。因而，运载工具发射机的数目可以变化很大，例如从几百个到几百万个之间。由于本发明的VLS20有独一无二的数据处理能力，在有非常大量运载工具发射机时特别有用。
组成VLS20的还有一个或多个校准发射机或基准发射机。在图1中描绘出三个这样的基准发射机，用标记数字40、42和44加以识别。这些基准发射机40、42和44装在地面上的固定位置彼此互相远离，以使覆盖由VLS20服务的区域。建议的但并非必须的做法是，基准发射机40、42和44做得和运载工具发射机30、32和34等同样，并在任何情况下发射同样的RF信号。这些基准RF信号与由运载工具发射机30、32和34等发射的RF信号一起，由中继站24、26和28转发给处理站22。因为已经精确地知道基准发射机40、42和44的位置，基准RF信号可用于校准系统，并建立中继站24、26和28的确切位置，以便能对他们从“固定”位置的任何偏移加以补偿。自然可以理解，知道中继站24、26和28相对于控制台22的精确位置，对于精确确定运载工具发射机30、32、34等，在一个预先建立的座标系统或地图中的位置是必须的。
按图1中画出的例子，运载工具发射机30、32、34等是装在各自的带轮子的运载工具30a、32a、34a等上面的。同样用举例说明的方式，图1中画出的中继站24、26和28是装在各自的人造卫星46、48和50上的，这些卫星位于VLS20所服务地区（何如美国大陆）上空的地球同步轨道上。把中继站24、26和28装在地球同步卫星46、48和50上（假设卫星的选择和定位适宜），能够很好地使每个中继站24、26和28与处理站22，与基准发射机40、42和44，以及通常也与所有运载工具发射机30、32、34等，都处于视线的关系。从而保证中继站能良好地接收到由基准发射机和运载工具发射机所发射的信号;并保证处理站22能很好地接收到转发信号。
但是对于为局部地区服务的VLS，全部或部分中继站24、26和28可以装在地面上，例如可以装在高山上、高楼顶上或装在无线电塔桅上。由于中继站24、26和28仅仅是RF信号转发器，不进行数据处理，因而中继站是不大的。对于装在卫星上的场合，不必拥有“专用”的卫星，中继站原则上可以装在为其它目的发射的商业卫星上。
图1中还画出了两个代表性的用户站60和62，但它们不是VLS20的组成部分。用图示说明用户为通信目的分别利用已经存在的电话线64和微波线路或无线电中继线路66连接到处理站22。通常，许多这样的用户站都利用常规通信线连接到处理台22。
运载工具发射机30、32、34等是按图2所示构成的。运载工具发射机30是作为所有运载工具发射机及基准发射机40、42和44的代表来描绘和说明的。通常组成发射机30的有：一个基准振荡器或“时钟”70;一个定序器或操作定时器72;记忆装置74;一个低通滤波器76;激励装置78;一个功率放大器80;一个脉冲成形网络82和一个天线84。再有，组成激励装置78的有一个L频段振荡器86;一个锁相环路88和一个相加器90。连接到定序器72的可以有这样一些辅助装置，如一个运动传感装置100;一个碰撞传感装置102;运载工具防盗装置104和手动的消息选择装置106。
建议运动传感器装置100和碰撞传感装置102用普通的加速度计构成，它们可以调整或选择到不同加速度“g”值水平。建议把运动传感装置调整到远低于碰撞传感装置102的加速度“g”值的水平。这样可以区别与运载二具移动相应的正常加速度“g”值，和在运载工具碰撞时预期会有的高加速度“g”值。防盗装置104是任何市售的或定制的运载工具防盗设备，它对运载工具受侵犯、被撬或未经授权的移动作出响应，发出电信号。再有，消息选择装置106可以包含普通的键盘或开关（图上未画出），利用它可以选择若干预先储存的消息码，以便将其编到有关的运载工具发射机30发射的RF信号中去。
定序器72控制RF信号的重复速率，并编排RF信号的格式。建议记忆装置74由第一个和第二个PROM（可编程序只读存储器）110和112;以及一个数据缓冲存储器114组成。它们保存信号格式的信息，包括发射机识别码（储存在第一个PROM110）和特定的消息码（储存在第二个PROM112）。诸如“需要帮助”，“事故”，“停运”这样一些有限个数的消息码，可以储存在PROM112中，并且可以由碰撞传感装置102、防盗敏感装置104发出的信号自动选择，或由手动消息选择装置106手动选择。
发射机30的构成可很好地提供图3所描绘格式的RF消息信号120。如图和所描绘的，信号100可以是100微秒长。它可以包含一个20微秒的同步符号122;接着是六个数据符号124，每个数据符号可以包含四个数据位或信息，并可以是10微秒长。数据符号124用于编排发射机的识别码或编号，数据符号124有对16°（16，777，213）个可能的运载工具。提供识别码的能力。
跟在数据符号124后面的是一个四位现场符号126，它也是10微秒长，可有十六种码供消息编码。现场符号126中的某些可转用于信号处理指令。跟在现场符号126后面的可以有一个10微秒长的处理符号用于时间标准，如下面所述。
为了能处理大量在时间上可能只有微小间隔的发射机信号，建议将信号120按已知的“扩展谱技术”编排。对这一技术的说明见例如由R.C.克逊所著的“扩展谱系统”一书（R.C.Dixon“Spread Spectrum Syslems”，John Wiley and Sons，Pubhshers，1976）。对于目前的情况，建议采用约6.4百万斤/秒的“片”速率。这样同步符号122被细划成128片，它由二进制1和0的伪随机形式组成。所谓“伪随机”意味着出现包含1和0的形式是准随机的，但是该形式是已知的。每个运载工具发射机30、32、34等和每个基准发射机40、42和44，做成能提供同样的，由片构成的同步片形式。借这种同步片形式，可以识别出每个信号的开头。运载工具识别符号124也是按类似的扩展谱编排的，每个识别符号由64片构成，按照二进制1和0的一个特定的伪随机方式安排。符号126和128也是类似地编排的。
按照这里叙述的建议实施方案，由运载工具发射机30发射的信号120按特定的时间间隔重复（图4）。但是，现场符号126可以不同地编排，以便按已有的编码规定加进特定的消息码。信号120可以按例如1分钟间隔重复。这样，提供给系统用户的发射机（运载工具）位置信息总是当时的。
举例来说，假定每部发射机标称重复速率为每分钟一个信号120显而易见，每分钟可以发射60万个其长度各为100微秒的互不重叠的信号。由于同步符号122只有20微秒长，每分钟就可以发射300万个互不重叠的、信号120的同步符号部分。因为有能力区别发射机编号数据，估计一个VLS20至少能够处理约600万部发射机30、32、34等。
为了举例说明本发明的目的，假设发射机30、32、34等在正常的“运载工具处于运动状态”的情况下，每分钟发射一次信号120;并假设这些信号在时间t1、t2、t3等处发射，如图4所示。而且定序器70也做成在时间（t1-△t）、（t2-△t）、（t3-△t）等处提供一个短的起始或控制信号138。这些控制信号138也通过各条线路140和142（图2）提供给锁相环路88及脉冲成形网络82，并使L-频段振荡器86达到设计的工作频率（通过反锁回路88的工作）;使脉冲成形网络82被“启动”，向功率放大器80提供（经由线路144）一个足够宽的大功率脉冲以便能输出信号120。由于发射机30、32、34等具有这样一种有效利用能量的结构，一节D-型碱性干电池就能在正常情况下使发射机运行约一年。
定序器72也可以按那些内行的人们所知道的方式构成，使得信号120能按几种不同的、预先确定的重复速率发射。举例来说，只要运动传感器100发出的电信号，在按常规定时发射的一分钟间隔内的任何时刻、通过线路146输入定序器72，定序器72将继续按正常的典型的每分钟一次的速率发射信号120。然而，在不出现任何运动传感器的信号时，即表示有关的运载工具没有移动时，定序器72可以自动地选择一个较长的间隔（例如一小时）发射信号。因为有关的运载工具没有移动，运载工具位置信息的更新就不需要那样频繁了。不过，周期性地更新运载工具位置的信息通常仍是所希望的，以便确信发射机的运行正常。由于装在那些未移动的运载工具上的发射机的重复速率降低，使总的发射通信量减少，这就使VLS20可以容纳的运载工具数目比原先可能处理的数目要多。当然，也可以改变定序器72的结构，当运载工具不在运动时阻止任何信号120的发射。
定序器72还可以做成下列方式：它能响应经线路148和150由碰撞传感器102和防盗装置104发出的电子信号，使信号120的发射间隔缩短到小于一分钟。对碰撞指示作出响应，信号120的发射间隔可以是例如5秒钟。类似地，对运载工具受侵扰的指示作出响应，信号120的发射间隔可以是10秒钟。当采用针对不同的状态提供不同的、预先建立的发射周期这样一种方式时，就能把表示运载工具状况的信息，有效地“编码”到信号120中，而实际上不改变信号的格式。如果如联邦通过委员会（F.C.C）这样的空中电波管理当局，不许可把消息实际编码到信号120中、或者不希望这样做时，采用上述那种重复速率编码是很优越的。
采用已知的低成本的制作技术，发射机30、32、34等可以做得足够小，能装入直径仅约5英寸、厚约11/2英寸的一个小盒150中（图5）。天线84相应地可以用短金属线作成单极天线，从小盒150中伸出来。盒子150的底座周围有一个窄的开孔的法兰152，能将小盒子方便地装到运载工具（或别的物体）上。由于小盒的尺寸很小，发射机30、32、34等可以改为装在（或隐藏于）小物体，例如运输用纸箱、行李或公文包上，如果希望的话甚至能由个别的人携带。通过应用已知的微电子制造技术小盒子150的尺寸可以进一步缩小。此外，把发射机30、32、34等结合到其它电子设备中，诸如小汽车的调幅/调频（AM/FM）收音机或民用波段（CB）收音机中，也属于本发明的范围。
中继站24、26和28把运载工具发射机30、32、34等和基准发射机40、42和44发射的信号，转发给处理站22，以作出运载工具位置信息。相应地，建议中继站24、26和28由其技术已为人们熟知的、采用普通设计的信号转发器组成。然而，要把中继站24、26和28装到卫星上去时，应选用尺寸小、重量轻、功耗低，运行特别可靠的设备。因为中继站24、26和28具有人们熟知的普通的结构，进一步对这些中继站加以说明是不必要的，这里也不提供。
中央处理站22如图6中的框图所示，它通过包含接收装置160;信号相关分析装置162;信号到达时间差（TDOA）处理器164;数据处理器或数据处理装置166;操作员显示和控制装置168;以及用户接口装置170。其次，信号接收装置160包含第一个、第二个、第三个定向天线178、180和182，它们分别对准中继站24、26和28（图1）以便分别接收从那里来的转发信号120。与此类似，还包含第一部、第二部、第三部RF接收机184、186和188，分别与天线178、180和182相连。其中的每部接收机都是常规设计，从而不需要进一步说明。
信号相关分析劳置162由同样的第一个、第二个、第三个信号相关器190、192和194组成。第一个接收机180从第一个天线178接收扩展谱信号120，经相关器输入线196，顺序馈给第一个信号相关器190。同样，第二个相关器192经由信号相关器输入线198，从第二个接收机186接收扩展谱信号120。第三个信号相关器194经由线路200，从第三个接收机188接收扩展谱信号120。信号相关器190、192和194做成能够把互相重叠的信号120分离开来。不同的发射机30、32、34等和40、42和44接近同时随机发射信号120时，它们可能互相重叠。这样，相应的信号到达时间差就可由TDOA处理器164确定，每个发射机的位置就可按下述方式确定。
图7中的功能框图说明信号相关器190、192和194能很好地工作的一种方式。图中表示的第一个信号相关器190，可作为所有三个信号相关器的代表。如图所示，信号相关器190包含一个同步相关器210;一个阀控器212;第一个和第二个数据相关器214和216;以及第N个数据相关器218（共有N个数据相关器并行排列，仅示出了第一个，第二个和第N个数据相关器）。
由第一个接收机184接收到的扩展谱格式的信号，经线路196馈给同步相关器210的输入端;并供给第一个至第N个数据相关器214-218。从第一个至第N个数据相关器214-218输出的信号，经由母线或多路线220馈给TDOA处理器164的一个输入端。
如图8所示，同步相关器210包含一个输入寄存器230;一个储存寄存器232。这些寄存器每个所具有的单元数，等于信号同步符号122所包含的片数（图3）。如前所述，同步符号122包含的片数可以是168。在储存寄存器232中，永久性地储存着所有信号120都使用的特定伪随机同步符号码。
由接收机180接收到的从中继站24发来的一个RF信号234（它包含一串单个的，或互相重叠的发射机信号120），经由线路196提供给输入寄存器230。由于信号234的每一片都被馈送到寄存器230，由比较装置236以一种已知的方式，把这一寄存器每个单元的内容，与储存寄存器232相应的每个单元的内容互相比较。阀控器212接收到每一组的168个相关分析输入信号，阀控器经线路238向数据相关器214-218输出一个相关片。阀控器212为送入输入寄存器230的每个信号片，各提供这样一个相关片。由阀控器212提供的一串相关片、形成一个阀控器输出信号240。
当输入寄存器230的所有单元的内容与储存寄存器232的所有单元的内容相关时，阀控器212将提供一个有最大值的相关片。这种情形只有当整个同步符号122已经输入到寄存器230时才会发生，从而指示信号120的开头已被接收到。
当VLS20包含非常大量的发射机30、32、34等时，通过接收机184向输入寄存器230提供的信号234，经常地或偶尔地可能包含两个或多个互相重叠的信号120。这样，有时就会包含来自不同发射机的互相重叠的同步符号122。比起只有一个同步符号出现的情形来，通常出现互相重叠的同步符号122时的同步相关性将会差些。对于出现互相重叠的信号120的情况，建议采用常规的“阀值”技术来鉴别同步符号。这样，就可建立一个相关阀值242，用它来测试由阀控器212提供的相关片。阀值242建立在这样一个水平上，即当这一水平被阀控器212提供的相关片输出超过时，同步符号事实上已经送入寄存器230的机率很大。类似地，如果相关片低于阀值242，则同步片还没有输入到寄存器230的机率很大。象采用阀值鉴别的其它情形一样，如果阀值242定得太高，则能检测不到同步符号122，有些信号120可能丢失。另一方面，如果阀值定得太低，就会提供同步符号已经被输入寄存器收到的误指示。但是无论那一种情形，从每个发射机30、32、34等经常发射的信号120，仍能使处理站22准确地确定发射机（运载工具）的位置。
数据相关器214-218的连接和构成，可以接收机184接收扩展谱格式的信号234，并经母线220向TDOA处理器166（图7）输出相应的非扩展谱信号244。到这里为至，什么时候由阀控器212提供的相关片超过阀值242，就能使数据相关器214-218中第一个可用的相关器接收信号120的其余部分，这个信号120就是刚才在同步相关器210中通过同步符号相关而被识别出来的。数据相关器214-218有足够的数目，以容纳在相关器190中预期会发生的、最大数目的信号120重叠。如果没有可用于接收信号120的数据相关器，这一信号就被自动丢弃了。同样，由于每个发射机30、32、34等经常重复信号120，偶然丢弃一个信号120并不认为对VLS20的运行有大的影响。
数据相关器214-218的结构和运行，基本上与上面叙述过的同步相关器210相同。继续假设每个发射机信号120的每个识别符号124包含四个二进制位，每个这样的符号有十六种可能的位组合形式（0000，0001，0010，……，1111）。每个识别符号124的每片都被数据相关器214-218中可使用的相关器所接收，在一个输入寄存器（类似于输入寄存器230）的内容与存有十六种不同的二进制组合的十六个储存器（每一个类似于储存寄存器232）之间，检查其相关性。与检查同步符号相关性的方式一样，当找到输入寄存器的内容与特定的一个储存寄存器之间有相关性时，将该储存寄存器的“数字”经母线220输出到TDOA处理器164。为了这一目的，使用十六进制非常方便。十六进制表达法示于下面的表1中。按类似的方式，数据相关器214-218可以识别、并解释出编入四位消息符号126中的消息码（如果有的话），并把这样的消息包含到输出信号244中，提供TDOA处理器164。
表1
十进制 二进制 十六进制
0 0000 0
1 0001 1
2 0010 2
3 0011 3
4 0100 4
5 0101 5
6 0110 6
7 0111 7
8 1000 8
9 1001 9
10 1010 A
11 1011 B
12 1100 C
表1（续）
十进制 二进制 十六进制
13 1101 D
14 1110 E
15 1111 F
被六个符号124（每个符号四位）所容许的所有166（16，777，716）个可能的发射机识别编码，相应地能被六个十六进制“数”所表达。作为说明的例子，十进制数10，705，823用十六进制可表达为“A35B9F”。
数据相关器214-218以非扩展谱格式，经母线220向TDOA处理器164提供这样处理过的信号（图7）。此外，数据相关器214-218把信号到达时间的信息，编码到信号符号128中。为了能对信号120作时间标注，有一个时钟246向数据相关器214-218中的每一个提供时钟信号（CK）。
第二个相关器192，以同样方式处理接收机186从第二个中继站26接收到的信号120，并经母线248向TDOA处理器164提供有时间标注的解码信号。第三个相关器194处理接收机188从中继站28接收到的信号120，并经母线250向TDOA处理器164提供有时间标注的信号（图6）。
TDOA处理器164按照发射机的识别编号和信号到达时间，从第一个、第二个和第三个相关器190、192和194区分有时间标注的信号。当属于一组的三个有时间标注的信号被找到时（这三个有时间标注的信号分别代表被中继站24、26和28转发的同一个信号120，因而在三个不同时间到达相关器190、192和194），并且到达时间是在一个特定的时间范围内以保证这些信号全都是在同一时间产生的，并且不是来源于不同的发射机），就考虑每一组中不同的各对信号，计算每一对信号的到达时间差。TDOA处理器164把这些信号的到达时间差数据，通过母线252提供给数据处理器166。
数据处理装置166（它所以是一台通用的计算机）根据TDOA处理器164提供的信号到达时间差数据，按已知的技术计算相应发射机30、32、34等的位置。按这些已知的技术，可计算两个双曲面的交点，发射机位置就是在这两个面的交线上。在介绍的实施方案中有二个中继站24、26和28，为了建立交线上的一个点，需要单独的高度信息。对于地面运载工具，这一高度举例来说可假设为零英尺。为了建立非地面运载工具（例如飞机）的三维座标，可以装备一个类似于中继站24-28的第四个中继站。在这种情况下，可导出三个旋转双曲面并把其公共的交点（x，y，z）确定为发射机的座标。这样一种确定位置的技术，在例如上面引用过麦克多伦登记的美国专利NOS.4，215，345中作了说明。
在以上方式获得发射机位置信息以后，对发射机的识别码，用储存的发射机-运载工具识别码进行相互检查，然后经母线254和接口装置170，将运载工具位置信息提供给系统的有关用户站60和62。另外，或作为补充可把全部或部分计复所得的运载工具位置信息，经母线256提供给操作员显示装置168（图6）。
数据处理装置166能进一步对每一部发射机（30、32、34等）发射信号的重复速率计数，并能对信号重复速率所包含的信息（诸如“运载工具不在运动”，“运载工具碰撞”，和“运载工具受侵扰/被盗”）“解码”，并将这一信息提供给系统的用户60和62。类似地，数据处理装置166将编码到信号符号126中的消息（如果有的话）解码，并把这样的信息提供给用户60和62。
正如前面提到的，计算所得的有关基准发射机40、42和44的位置信息，为VLS20提供了校准信息。关于这一点，确定基准发射机40、42和44的位置采用与获得运载工具发射机30、32、34等的位置同样的方式。计算所得的基准发射机位置与储存在数据处理装置166中的实测所得的基准发射机位置信息，由数据处理装置166作相关分析。只要计算所得的全部基准发射机的位置与实测所得的位置之间的相关量，是在允许误差限度之内，这就有理由假定：（ⅰ）基准发射机40、42和44没有移动过;（ⅱ）用于计算发射机位置的中继站24、26和28的位置，相对于VLS20所覆盖的地理区域没有移动过;以及（ⅲ）VLS20的数据处理部分运行正常。
然而，如果基准发射机计算所得的位置与实测所得的位置之间的相关量都不在允许的误差限度以内;并且，如果中继站24、26和28是装在卫星上的，就有可能因为卫星相对于中央处理站22作了移动，有一个或几个中继站已经移动了。如果已经确定基准发射机40、42、44等事实上没有移动过;并且，如果可肯定VLS20的计算过程工作正常，则基准发射机计算所得的和实测所得的位置差，可以用于重新标定中继站24、26和28的位置。这些重新标定过的中继站24、26和28的位置，随后可用于确定运载工具发射机位置的计算。
在前面已对三个中继站24、26和28的使用作过说明。三个这样的中继站对于提供两维的、地面上的位置信息已经足够了，通常对于地面运载工具已经令人满意。然而，对于山区的运载工具，以及对飞机，或许需要三维位置信息。从而，VLS20应予以扩展（这样扩展的VLS仍在本发明的范围以内），把类似于中继站24、26和28的第四个中继站包括进去，并包含类似于天线178、180和182的相应接收天线;类似于接收机184和188的相应接收机;类似于相关器190、192和194的相应的第四个相关器;并扩展TDOA和数据的处理能力，以适应确定第三个位置座标必须的额外计算。
还要进一步理解到，为了描述方便，相关装置162，TDOA处理器164和数据处理装置166已用图作了说明，并且是公开作介绍的。然而，事实上，处理站22的所有这些部分可以组合在一起，并可由一台通用计算机组成。
按照发明人的估计，单个发射机（30、32、34等以及40、42和44）的费用，在大量生产时将低于100美元;中央处理站22的费用大约为300万美元（不包括其它财产和建筑物），中继站24、26和28的每年费用大约为1600万美元。从这一费用估计明显看出，只要VLS20所覆盖的运载工具的数目足够大，分摊到单个发射机的费用（也就是单个运载工具的费用）是非常低的。正由于VLS20这种能处理非常大量发射机的独一无二的能力，使系统很经济，这对吸引用户是很重要的。
虽然，为了说明本发明可被有效地利用的方式，这里已按照本发明对于运载工具定位系统作了介绍。但还应当理解，本发明的应用并不限于上述方式。从而，对于由内行的人们所作的任何及所有修改和变型，都被认为是在所附权利要求中确定的本发明的范围和精神以内。

Claims (13)

1、一种运载工具定位系统，它用于远距离确定在特定地理区域内运行的、相当大量的运载工具的位置，这种运载工具定位系统包括：第一个、第二个和第三个居高临下的射频信号中继站，它们用于转发接收到的信号，各中继站互相远离，位于相对运载工具定位系统所覆盖的上述地理区域的已知位置上;一个中央处理站，它有能分别接收每个中继站转发的射频信号的装置，
其特征在于所述系统包括：若干适合装在运载工具上的、同样的自动射频发射机，上述的每个发射机做成能发射射频信号，除每个发射机具有能把其独有的发射机识别码编入所发射的信号中去的装置外，所有发射机的射频信号都类似，每个发射机都有使所发射的信号，按一个预先确定的时间间隔重复发射的装置，每个发射机的工作彼此独立，从而相对其它发射机是一种随机的方式;
所述射频信号中继站接收和转发所述发射机的射频信号;
所述中央处理站还包括：将转发的信号彼此分离开的装置，在上述处理站把到达时间编码到接收到的信号中去的装置，以及从中继站发出的信号到达时间差（TDOA）确定发射信号的每个发射机的位置的装置。
2、在权利要求1中所述的运载工具定位系统，其特征是每个上述发射机包含把同步码编入每个发射信号中去的装置，同步码对于上述每个发射机是同样的，在中央处理站，把转发来的信号彼此分离开的装置，包含将信号同步码以一种方式与相应的储存同步码作相关分析的装置，这种方式即使在出现互相重叠的信号时，也能把单个信号识别出来。
3、在权利要求2中所述的运载工具定位系统，其特征是同步码是编码到同步符号部分中的，同步符号的长度不超过大约20微秒。
4、在权利要求1或3中所述的运载工具定位系统，其特征是每个发射机包含将所发射的信号编码成扩展谱格式的装置，这样，就加强了中央处理站将信号彼此分离开的能力。
5、在权利要求1中所述的运载工具定位系统，其特征是至少部分发射机包含能使信号重复速率变化的装置，这样，就能通过改变信号重复速率，从发射机向中央处理站通报消息。
6、在权利要求5中所述的、至少部分发射机配备运动传感装置的运载工具定位系统，其特征是能使信号重复速率变化的装置，当运动传感装置感测到发射机处于静止状态时，使发射机以第一种重复速率发射信号，当运动传感装置感测到发射机是在运动时，使其以第二种重复速率发射信号。
7、在权利要求5中所述的、至少一部分发射机配备适当的防盗装置的运载工具定位系统，其特征是上述防盗装置适合于装在运载工具上，备有一个电信号，可对装有防盗装置的运载工具受侵扰作出影响，其中上述能使信号重复速率变化的装置，能对来自防盗装置的电信号作出响应，使信号重复速率从正常重复速率增加到与运载工具受侵扰状况相应的一个预先选定的重复速率。
8、在权利要求5中所述的、至少一部分发射机配备适当的碰撞传感装置的运载工具定位系统，其特征是能使信号重复速率变化的装置，能对运载工具碰撞传感装置作出响应，使信号重复速率从正常重复速率，增加到与运载工具碰撞情况相应的一个预先选定的重复速率。
9、在权利要求1中所述的运载工具系统特征是包含至少一个基准发射机，它适合装在相对于上述地理区域一个已知的固定位置，基准发射机做成能发射射频信号，它与装在运载工具上非发射机所发的射频信号是同样的，并且其中，中央处理站包含从信号到达时间差信息确定中继站位置的装置，这些信号由基准发射机发射，从而能对系统加以校准。
10、在权利要求1中所述的、至少一部分发射机配备能储存事先选定的消息码的装置的运载工具定位系统，特征是这一部分发射机还包含能把上述消息码有选择地编到所发射的信号中去的装置。
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