专利名称：用于扩展移动接收器定位能力的覆盖范围的方法和仪器的制作方法
技术领域：
本公开的领域大体上涉及定位系统，并且更具体地涉及在缺少来自卫星或者地面站的可使用的位置信号时将位置信息提供给移动接收器的系统。
背景技术：
诸如全球定位系统(GPS)卫星的卫星通常用于将位置和时间信息传递给移动接收器。在至少一些已知系统中，接收器基于发送的位置和时间信息计算其位置。此外，卫星可以发送表示卫星运动(例如，轨道路径)的天文历数据，并且接收器可以使用天文历数据计算其位置。由于由卫星发出的信号相对弱，基于卫星的定位系统通常容易受到本地化的干扰措施(“干扰”)的影响。此外，可能的是，定位系统内的一个或更多个卫星能够有意地或无意变得不能工作。发送预定位置的陆基定位系统可以用作卫星的替换，但是这种定位系统具有有限的范围并且可能容易受到自然灾害或者攻击的影响。

发明内容
在一个方面，提供从多个飞行器提供位置信息给移动接收器的方法。该方法包括从在多个飞行器中每个的至少三个位置源接收源位置。至少三个位置源包括远程飞行器。至少部分基于在飞行器的当前时间、接收的源位置和表示每个远程飞行器的运动的天文历数据，在每个飞行器计算飞行器在未来时间的预测位置。在未来时间在每个飞行器发送预测位置。来自飞行器的发送的位置由移动接收器用于确定移动接收器的当前位置。在另一方面，提供定位系统。定位系统包括第一组一个或更多飞行器和第二组多个飞行器。第一组包括至少一个飞行器，其经配置从而发送飞行器的位置。第二组的每个飞行器经配置从而从至少三个位置源接收位置。至少三个位置源包括第一组飞行器的飞行器。第二组的每个飞行器也经配置从而部分基于接收的位置计算在未来时间的飞行器的预测位置，并且从而在未来时间将预测位置发送到一个或更多接收器。在还另一方面，提供飞行器。该飞行器包括接收器，其经配置从而从多个位置源接收源位置。位置源包括远程飞行器。该飞行器也包括一个或更多处理器，其通信地耦合接收器，并且经编程从而至少部分基于接收的源位置确定飞行器的位置并且生成表示飞行器运动的天文历数据。该飞行器进一步包括发射器，其通信地耦合到处理器并且经配置从而发送所确定的飞行器位置和生成的天文历数据。已经讨论的特征、功能和优点能够在本发明的各种实施例中独立实现，或者可以在其他的实施例中结合，其进一步的细节能够参考下列描述和附图看出。


图1是示出示例性的定位系统的框图。图2是示出示例性的飞行器的框图，该飞行器可以与图1所示的定位系统一起使用。图3是示出用于提供位置信息给接收器的示例性方法的流程图。图4是示出具有三组飞行器的示例性定位系统的框图。
具体实施例方式在各种实施例中，提供用于提供位置信息的仪器和方法。这种实施例便于在缺少可使用的基于卫星或者陆基定位信号时由移动接收器精确确定位置。这里提供的实施例便于使用定位硬件耦合机载的飞行器扩展来自已知点的大地测量服务。飞行器可以包括但不限于一个或更多固定翼飞机、旋转翼飞机、气球和能够空中飞行的任何其他交通工具，无论是飞行员驾驶还是无人驾驶的(例如，自主的或者遥控的)。如这里所使用的，“位置源”是发送位置信息的任何装置，位置信息诸如是装置的位置、发送位置信息的时间和指示装置运动的天文历数据(如果有的话)中的一个或更多，但不限于此。位置源可以包括卫星，诸如全球定位系统(GPS)卫星或者替代卫星(例如，铱卫星)、地面站和诸如这里所述的飞行器的交通工具。这里所述的方法便于将由任何位置源提供的定位能力扩展到比这些位置源直接覆盖的区域大或者远的地区，和到那些位置源不可用的地区。图1是示出示例性定位系统100的框图。在系统100内，移动接收器105需要位置信息。例如，移动接收器105可以包括基于地面的装置，诸如手持全球定位系统(GPS)接收器、基于交通工具的导航系统、或者目标系统。在示例性的实施例中，多个地面站110经配置从而发送用于移动接收器105使用的位置信息。在一些实施例中，每个地面站110与预定位置相关联，并且经配置从而发送(例如，广播)预定位置和该位置正在被发送的时间。在一个实施例中，地面站110是差分GPS (DGPS)站。在示例性的实施例中，移动接收器105能够从三个或更多地面站110接收所发送的信息，并且移动接收器105能够基于所接收的信息确定其位置。然而，在一些方案中，由于诸如移动接收器105和地面站110之间的距离或移动接收器105和地面站110之间没有清晰视线的因素，在移动接收器105从地面站110直接接收位置信息是不可行或者不可能的。例如,如果一个或更多障碍物(例如结构或地理特征)位于移动接收器105和地面站110之间，那么移动接收器105和地面站110之间的清晰视线不可能存在。取决于移动接收器105距离地面站110放置的距离，地球表面曲率可以创造这种障碍物。由地面站110提供的定位服务可以通过使用诸如无人驾驶的或者无人操作的飞行器(UAV)的多个飞行器115扩展至移动接收器105。在示例性的实施例中，飞行器115的第一组120被定位在地面站110的通信范围内。在第一组120中包括的每个飞行器115都从地面站110接收位置信息，确定飞行器115的预测位置，并且发送(例如，广播)位置信息，该位置信息可以包括但不限于仅仅包括预测位置、发送预测位置的时间和表示飞行器115的运动的天文历数据。例如，天文历数据可以由飞行器115基于当前速度、用于飞行器115的编程飞行路径和在飞行器115的当前时间中的一个或更多生成。飞行器115的第二组125被定位在远离第一组120，但是在第一组120的通信范围内。例如，飞行器115的第一组120和第二组125中的一个或两者可以被定位在使得第一组120和第二组125之间能够信号通信的高度。进一步，在示例性实施例中，该高度可以经选择从而便于扩展飞行器115的通信范围(例如，通过避免地球的障碍)、从而便于减少飞行器115的能量消耗或者从而便于保护飞行器115不受干扰或者攻击。第二组125也被定位在移动接收器105的通信范围内。同样地，飞行器115的第二组125中的每个飞行器115都从三个或更多位置源接收位置信息，这些位置源不与第二组125关联或者不位于第二组125中。例如，每个飞行器115可以从预定位置源和定位在距离飞行器115 —定距离的位置源的一个或两者接收位置信息，该距离大于预定的阈值距离。在示例性的实施例中，第二组125中四个飞行器115的每个都从第一组120中三个飞行器115的每个接收位置信息。至少部分基于当前时间和所接收的位置信息，第二组125的每个飞行器115都确定其自己的位置。然后，第二组125的每个飞行器115都发送位置信息，移动接收器105使用该信息确定移动接收器105的位置。在示例性的实施例中，移动接收器105基于来自四个位置源的位置信息确定其自己的位置。每个飞行器115可以得到当前时间(例如，来自机载原子钟)，并且可操作从而基于当前时间和来自三个位置源的位置信息确定它自己的位置。在一些实施例中，飞行器115是无人驾驶的、遥控的或者两者。在部署之前或部署以后，利用飞行路径设定飞行器115。例如，该飞行路径可以命令飞行器115飞到一个或更多预定位置并处在一个或更多预定高度，然后一到达预定位置就在轨道(例如，圆形的或者椭圆形的图案)中行进。在一个实施例中，第二组125内的飞行器115可以利用飞行路径被命令并且处在足够高的高度，该飞行路径限定接近移动接收器105的轨道，该高度足以便于保护飞行器115免于受到陆基攻击。例如，在一个实施例中，飞行器115可以进入超过10,000英尺的高度的轨道。飞行器115可以要求偶然加燃料。因此，在一些实施例中，飞行器115可以有选择地被转向或者旋转通过地区或者组。例如，由于第二组125内的飞行器115接近用于加燃料的时间框架，所以替换飞行器115可以被分派给第二组125的地区。当替换飞行器115到达该地区时，这些替换飞行器115开始接收并发送位置信息，并且第二组125内的原始飞行器115可以被导向维护设施，其可以包括加油站。这种实施例使得能够给移动接收器105提供连续的定位服务。在一些实施例中，在飞行器115的每个部署或起飞之前，飞行器115机载原子钟与在维护设施的参考时间源同步。图2是示出示例性的飞行器115的框图，该飞行器115可以与定位系统100 —起使用。图3是示出示例性方法300的流程图，该方法可以用于使用飞行器115提供位置信息给接收器，诸如移动接收器105 (图1中示出)。在示例性的实施例中，飞行器115包括一个或更多处理器205和存储器装置210。处理器205经编程从而执行计算机可执行指令，其可以被存储在存储器装置210中，从而操作飞行器115，包括其部件。例如，这里所述操作的任何一个或全部可以被编码为计算机可执行指令并且由处理器205执行。存储器装置210也可以经配置从而存储与飞行器115的配置关联的数据、飞行器115的飞行路径、表示飞行器115的运动的天文历数据和任何其他适合与这里所述的方法使用的数据。在示例性的实施例中，飞行器115包括一个或更多接收器215，其通信耦合到处理器205。接收器215从多个位置源接收(305)位置信息，这些位置源可以包括地面站110(图I中所示)、定位卫星(例如，图4中所示的GPS卫星)及其他飞行器115，但不限于只包括这些。这些位置信息包括源位置(例如，位置源的位置)、发送位置信息的时间(例如，日期/时间戳)和表示位置源的运动的天文历数据中的一个或更多，但不限于只包括这些。处理器205经编程从而生成(310)表示飞行器115的运动的天文历数据。在一些实施例中，飞行器115包括惯性测量单元(IMU) 220，其提供速率数据、方向数据或者两者。该天文历数据可以至少部分基于MU220提供的数据生成(310)。在示例性的实施例中，处理器205至少部分基于所接收的位置信息确定(315)飞行器115的瞬时或者预测位置。在一个实例中，通过基于来自接收器215的接收的位置信息最初计算瞬时位置，然后基于瞬时位置和由MU220提供的速率数据、方向数据或者两者计算预测位置来确定315预测位置。飞行器115包括一个或更多发射器225，其通信耦合到处理器205。每个发射器225发送(320)(例如，广播)位置信息，包括飞行器115的确定的位置和天文历数据。在示例性的实施例中，发射器225包括通信装置，该装置可操作从而被用作定位卫星的代替物。这种通信装置可以被称为“假的卫星”或者“伪卫星”。在一些实施例中，接收器215使用第一频率接收(305)位置信息，并且发射器225使用第二频率发送(320)位置信息。在这些实施例中，飞行器115内的接收器215和发射器225之间的干扰被大体上去除。在一些实施例中，发射器225控制运载位置信息的信号的强度。例如,处理器205可以确定飞行器115和一个或更多目标(例如，远程飞行器、基于地面的接收器或者两者)之间的距离，并且发射器225可以用直接随距离变化的信号强度发送320位置信息。除此之夕卜，或者可替换地，发射器225可以使用波束发送(320)位置信息，其中该波束形状限制信号到目标被定位在其中的地区的传播。位置信息可以包括确定位置的时间/日期或者发送位置信息的时间/日期。时间值可以与位置结合用于确定(315)飞行器115的位置。例如，可以从当前时间减去传输时间，从而确定位置源和飞行器115之间的传播延迟。位置源和飞行器115之间的距离可以从传播延迟导出。在一些实施例中，飞行器115包括原子钟230，其提供指示当前时间的时间信号。原子钟230可以与诸如另一个原子钟的参考时间源同步(302)，该时间源用于同步一个或更多位置源。例如，在维护飞行器115时或者飞行器115起飞之前，可以实行同步302。在示例性的实施例中，所确定(315)的位置指示飞行器115在未来时间的预测位置。该预测位置可以基于当前时间和未来时间(例如，由MU220提供的速率数据、方向数据或者两者所指示的)之间的飞行器115的预测运动或者位移。在确定(315)预测位置后，原子钟230用于确定(317)是否已经到达未来时间。当到达未来时间时(例如，当由原子钟230报告的当前时间等于或者大于未来时间时)，发射器225发送(320)位置信息，其可以包括传播时间。在一些实施例中，飞行器115被远距离地、自治地或者远距离自治地操作。在这些实施例中，接收器215可以从一个或更多遥控站(未示出)接收指令，诸如导航输入和控制输入。例如，接收器215可以接收限定飞行器115行进的路线或者路径的飞行路径。该飞行路径可以包括在预定位置(例如，包括预定高度)的轨道。在一个实施例中，飞行器115按照这里所述的方法确定其位置和运动，并且使用所确定的位置和运动沿着飞行路径导航。
由接收器215接收的指令可以被提供到路径控制器235。路径控制器235接收这些指令并且和其他系统交互，诸如交通工具系统(VMS)和任务管理系统(MMS)中的一个或更多，两者都可以由处理器205执行。例如，VMS可以操作一个或更多控制装置240，诸如用于领航飞行器115的飞行控制表面(例如，副翼、升降舵、或者方向舵)、节流阀、电机、阀门、致动器和开关，但不限于此。MMS可以管理用于飞行器115的期望轨道，无论是预编程的或者经由接收器215接收的。飞行器115也可以包括一个或更多发射器225，其经配置从而发送数据，诸如从机上照相机(未示出)到遥控操纵器的遥测数据或者视频。因为包括飞行器115的自动或远程控制的实施例不需要机上人类驾驶员，所以这些实施例便于飞行器115到作业区的长期部署(例如，几天或者几个星期)。例如，飞行器115可以被编程具有限定从基地到目的地的路线的飞行路径、目的地上方的轨道和限定从目的地到基地的回程飞行路径。进一步，这些实施例使得飞行器115能够在平流层内工作，对于有人驾驶飞行这需要重要的住所(例如，增压)。图4是示出使用三组飞行器115的示例性定位系统400的框图。在示例性的实施例中，系统400包括第一组405、第二组410和第三组415飞行器115。第一组405包括第一飞行器421、第二飞行器422和第三飞行器423。第二组410飞行器115包括第四飞行器424、第五飞行器425和第六飞行器426。第三组415飞行器包括第七飞行器427、第八飞行器428、第九飞行器429和第十飞行器430。第一组405内的飞行器115从两个地面站110和卫星435接收位置信息，卫星435诸如是中地球轨道(MEO)或者低地球轨道(LEO)中的卫星。在示例性的实施例中，第一组405发送位置信息，并且第二组410中的每个飞行器115基于从第一组405接收的位置信息确定其自己的位置。第二组410内的第六飞行器426也从另外的地面站440接收位置信息。在一个实施例中，第六飞行器426进一步根据从地面站440接收的位置信息确定其位置。在另一个实施例中，当确定其位置时第六飞行器426提供比第一飞行器421更高的重量给地面站440。例如，第六飞行器426可以基于位置源类型(例如，地面站、飞行器和卫星)、位置源可靠性或者两者分配重量给地面站440，该重量比分配给第一飞行器421的重量大。第二组410中的每个飞行器115发送位置信息，并且第三组415内的每个飞行器115基于从第二组410接收的位置信息确定其位置。第三组415中的飞行器115也发送位置信息，第一移动接收器445由此确定第一移动接收器445的位置。尽管示例性的实施例描述只是用三组飞行器115将位置信息从地面站110和卫星435延伸到第一移动接收器445，但是可以使用任何数目的飞行器115，因此增加可以传播位置信息的距离。移动接收器不需要只从单个集合内的那些飞行器115接收位置信息。例如，第二移动接收器450基于从第二组410和第三组415两者内的飞行器115接收的位置信息确定它的位置。第三移动接收器455使用来自第二飞行器422、第三飞行器423、第六飞行器426和地面站440的位置信息确定它的位置。如这些例子所说明的，可以合并任何三个或更多位置源，从而确定飞行器115的位置(例如，结合来自机上原子钟的当前时间)，并且可以结合任何四个或更多位置源，从而确定移动接收器的位置。这里所述的方法和仪器便于使用飞行器将定位能力从诸如地面站和卫星的多个已知受控位置源扩展到不可直接从其进入这些位置源的地区。因此，即使当直接在基于地面的接收器接收常规、基于卫星的信号或者地面站信号不可行时，基于地面的接收器可以基于由飞行器发送的位置信息准确地确定其位置。这里参考特定的定位系统配置描述实施例。然而，设想的是，所述的方法和仪器可以用任意数量的飞行器、地面站、卫星和适合用于这里所述的方法的接收器操作。本公开的主题利用在此的具体性描述，从而满足法定要求。然而，描述本身不是意图限制本专利的范围。更确切地，已经预期，结合其他现有或未来技术，也可能以其他方式体现所要求保护的主题，从而包括不同的步骤或者类似于本文件中所述的步骤的组合。此夕卜，尽管术语“步骤”、“框”或者“操作”在这里可以用于暗示所采用方法的不同元素，但是，这些术语不应该被解释为暗示这里所公开的各个步骤之中或之间的任何特定顺序，除非且除了当明确描述单独步骤的顺序时。这里所述的方法可以被编码为包括在计算机可读媒体中的可执行指令，其中计算机可读媒体包括存储装置或者计算装置的存储区，但不限于此。当由一个或更多处理器执行时，这些指令使得(多于一个)处理器实行至少一部分这里所述的方法。这个书面的描述使用实例公开所述实施例，该描述包括最佳方式，并且也使得本领域任何技术人员能够实践所述实施例，包括做出并使用任何装置或系统，和实行任何并入的方法。专利保护的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实例。这种其他实例意图都在权利要求的范围内，无论其是否具有不同于权利要求的文字语言的结构元件，或者无论其是否包括与权利要求的文字语言无实质差别的等价结构元件。
权利要求
1.一种用于从多个飞行器提供位置信息给移动接收器的方法，所述方法包含: 在所述多个飞行器的每个飞行器从至少三个位置源接收源位置，其中所述至少三个位置源包括至少一个远程飞行器； 在每个飞行器至少部分地基于在该飞行器的当前时间、所接收的源位置和表示每个远程飞行器的运动的天文历数据，计算所述飞行器在未来时间的预测位置；和 在每个飞行器发送在所述未来时间的所述预测位置，其中来自所述飞行器的被发送位置由移动接收器用于确定所述移动接收器的当前位置。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含，在所述多个飞行器的第一飞行器从不同于所述第一飞行器的至少三个飞行器接收源位置。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步地包含将所述预测位置从所述多个飞行器的第一飞行器发送到远程飞行器，远程飞行器不包括在所述多个飞行器内。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述预测位置发送到远程飞行器包含将所述预测位置发送到如下的飞行器，该飞行器没有到所述位置源的清晰视线，所述第一飞行器从所述位置源接收源位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中每个飞行器包括原子钟，所述方法进一步包含使每个飞行器的所述原子钟与参考时间源同步。
6.一种定位系统，包含: 第一组一个或更多飞行器，其包含至少一个飞行器，该飞行器经配置从而发送该飞行器的位置；和 第二组多个飞行器，所述第二组中所述多个飞行器的每个经配置从而: 从至少三个位置源接收位置，其中所述至少三个位置源的每个包括所述第一组飞行器的飞行器； 至少部分基于所接收的位置计算所述飞行器在未来时间的预测位置；和 在所述未来时间将所述预测位置发送到一个或更多接收器。
7.根据权利要求6所述的定位系统，其中所述第二组飞行器的每个飞行器都经配置从而从所述第一组飞行器的至少三个飞行器接收位置。
8.根据权利要求6所述的定位系统，进一步包含至少一个地面站，其经配置从而发送所述地面站的预定位置，其中所述第二组飞行器的每个飞行器进一步经配置从而从所述地面站接收位置。
9.根据权利要求6所述的定位系统，进一步地包含移动接收器，其经配置从而: 从所述第二组飞行器接收所发送的位置；和 至少部分地基于所接收的位置确定所述移动接收器的位置。
10.一种飞行器，包含: 接收器，其经配置从而从多个位置源接收源位置，所述位置源包括远程飞行器； 一个或更多处理器，其通信耦合到所述接收器，所述一个或更多处理器经编程从而: 至少部分地基于所接收的源位置确定所述飞行器的位置；和 生成表示所述飞行器的运动的天文历数据；和 发射器，其通信耦合到所述一个或更多处理器，所述发射器经配置从而发送所确定的所述飞行器的位置和所生成的天文历数据。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述接收器进一步经配置从而从所述远程飞行器接收天文历数据并且进一步基于所接收的天文历数据确定所述飞行器的位置。
12.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述接收器进一步经配置从而从多个远程飞行器接收源位置。
13.根据权利要求10所述的飞行器，进一步包含原子钟，其经配置从而提供时间信号，其中所述发射器进一步经配置从而基于所述时间信号发送时间。
14.根据权利要求13所述的飞行器，其中所述处理器经编程从而进一步基于所述时间信号确定所述位置。
15.根据权利要求13所述的飞行器，其中所述处理器经编程从而: 通过确定所述飞行器在未来时间的预测位置确定所述位置；和 发送在所述未来时间的所述预测位置。
16.根据权利要求10所述的飞行器，进一步包含惯性测量单元，其经配置从而提供速率数据，其中所述处理器经编程从而进一步基于所述速率数据确定所述飞行器的位置。
17.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述发射器经配置从而将所确定的位置发送到移动接收器。
18.根据权利要求10所述的飞行器，其中所述接收器经配置从而从低地球轨道卫星和中地球轨道卫星中的至少一个接收源位置。
19.根据权利要求10所述的飞行器，进一步包含交通工具管理系统，其经配置从而基于从遥控站接收的控制输入领航所述飞行器。
全文摘要
根据一个实施例，提供用于从多个飞行器提供位置信息给移动接收器的方法。该方法包括从在多个飞行器的每个飞行器的至少三个位置源接收源位置。至少三个位置源包括远程飞行器。至少部分基于在飞行器的当前时间、接收的源位置和表示每个远程飞行器的运动的天文历数据，在每个飞行器计算飞行器在未来时间的预测位置。在每个飞行器在未来时间发送预测位置。来自飞行器的发送的位置由移动接收器用于确定移动接收器的当前位置。
文档编号G01S5/00GK103080766SQ201180040761
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月22日 优先权日2010年8月24日
发明者B·R·布雷希尔斯 申请人:波音公司