使用空间移位键控(SSK)调制特征图来确定姿态的系统和方法

摘要

一种姿态系统，该系统包括辐射装置，所述辐射装置以预定方式在三维空间中移动，由此在发射信号上叠加周期性多普勒效应；借助于接收装置来接收该发射信号，其中该接收装置以预定方式在三维空间中移动，由此在接收信号上叠加周期性多普勒效应；通过解译接收到的多普勒效应来分析接收装置相对于辐射装置的移动；以及基于所解译的多普勒效应来确定姿态。或者作为选择，调整接收装置在三维空间中的移动，以便将接收信号上叠加的周期性多普勒效应减至最小；以及基于使接收装置与辐射装置校准所需要的调整来确定姿态。

说明书

技术领域

本发明一般涉及的是用于为移动设备产生精确姿态确定(attitudedetermination)的系统和方法。特别地，本发明适用于允许使用空间调制信号相关性来执行绝对姿态确定的空间调制系统。

背景技术

我们可以将姿态定义成是用户平台相对于三维空间中的参照系的倾角。通常，用于姿态确定的技术可以分成两组。第一组技术提供的是相对于基准的绝对姿态测量结果。此类技术的实例是磁场传感器、光学跟踪仪以及星体传感器。第二组技术则只能提供关于姿态变化的测量结果。其实例是陀螺仪(机械型、MEMS、环形激光器以及光纤)和角加速度计。总起来说，第二组技术中的设备即为通常所说的惯性设备。使用惯性设备的应用需要知道初始姿态。而这通常是使用第一组技术获取的。只有在可以获取初始姿态时，应用才可以从第二组技术提供的测量结果中确定后续的绝对姿态。

不幸的是，无论使用哪一组技术都存在很多问题。由于角速率中累积了测量误差，因此，来自惯性设备并通过计算得到的姿态将会遭遇时间上的连续漂移，这样一来，如果使用惯性系统，则必须频繁地将该系统重新校准到某个基准。光学跟踪仪的操作会受其传感器视场的限制，要想正常工作，那么传感器的视场必须不受阻碍。星体传感器包含了星图识别，它具有只能在晴夜才可供地面系统操作的附加限制。对使用磁场传感器来确定方位的处理而言，该处理依赖于参照磁场完整性。这种磁场往往会因为诸如磁场附近存在大量含铁物体之类的原因而发生畸变，由此导致其在大型工业区、工厂和仓库之类的环境中的性能无法令人感到满意。

对上述传统的姿态确定方法而言，其替换方案可以是全球定位系统(GPS)接收机使用的载波相位定位技术扩展。所述载波相位定位技术会通过在用户接收机运动的时候确定在接收到的定位信号上感生的多普勒效应(Doppler)来确定位置。用户接收机会在时间上累积这些多普勒效应测量结果，以便产生很精确的距离变化(change-to-range)测量结果，在本领域中，这个测量结果即为通常所说的累积多普勒效应或积分载波相位(ICP)测量结果。用户接收机会对积分载波相位(ICP)测量结果进行处理，以便从多个处于已知位置的卫星推导精确的距离变化测量结果，该结果转而可用于确定相对于已知初始位置的精确位置。一般来说，这个初始位置是从调制在从各个卫星发射的载波信号上和基于编码的伪距离测量结果中推导得到的。由于基于编码的伪距离本身不够精确，因此，在确定这个初始位置的时候仍旧存在着周期模糊的问题。如果使用本领域中众所周知的技术，那么在执行高精度定位之前必须解决这个周期模糊问题。虽然载波相位定位系统适用于精确的位置确定，但是它们本身不具备用于确定姿态的装置。

现有技术的系统尝试过克服这种限制。特别地，在Cohen的美国专利5,548,293中公开了一种基于载波相位的定位系统，其中通过在移动平台上空间分布多个GPS接收机以及同时从视界以内的所有GPS卫星中收集载波相位距离测量结果，而确定姿态。随后，通过在GPS接收机之间计算载波相位距离差，而确定用户平台姿态。由于需要很多载波相位GPS接收机，因此，Cohen的方法非常复杂并且成本很高，而且该方法还需要在确定姿态之前解决整体(integer)周期模糊的问题。此外，使用GPS信号需要在卫星的无障碍视界以内始终存在多个GPS接收机，这样去除了系统在诸如户内的封闭卫星环境中运作的能力。另外，被称为多径效应的定位信号反射也会降低来自每一个卫星的距离测量结果的精度，而由此在使用Cohen方法的时候导致姿态确定降级。

很明显，目前需要一种健壮的绝对姿态确定系统，该系统不需要(a)参照磁场完整性，(b)星体的无障碍视界，(c)用于光学测量的视线，(d)连续不断的反复初始化，(e)全球导航卫星系统(GNSS)的无障碍视界，(f)散布在用户平台上的多个定位接收机，或是(g)对于载波周期整体模糊问题的解决方案的需求。能在没有这些束缚的情况下工作的系统是非常理想的。本发明是通过以下步骤来实现这个预期目标的：发射使用三维空间特征图(signature)调制的信号，使用互补的三维空间特征图来调制接收装置，以及通过解译接收信号来确定姿态。在下文中，这种系统和方法称为空间移位键控(SSK)，并且在下文中将会对其进行详细描述。

发明内容

本发明的目的是提供一种姿态确定系统，其中该系统是如下提供的：发射使用三维多普勒效应特征图调制的信号，使用互补的三维多普勒效应特征图来调制接收装置，以及通过解译接收信号来确定姿态。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，该系统利用发射信号与接收装置的空间相关性，其中发射信号是用三维多普勒效应特征图调制的，接收装置是用互补的三维多普勒效应特征图调制的。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，该系统利用所发射的空间调制的多普勒效应特征图与接收装置的空间相关性，其中接收装置是用复制的(replica)空间调制多普勒效应特征图来调制的。

本发明的另一个目的是为用户接收机提供一种姿态确定系统，其中该接收机是用接收天线配置的，该天线是用三维多普勒效应特征图调制的，用户接收机还利用超前和滞后追踪臂(arm)的组合或是超前、即时(prompt)和滞后追踪臂的组合来保持与所发射的信号的空间相关性，其中该信号是用三维多普勒效应特征图来调制的。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，该系统利用多普勒效应模式识别(pattern recognition)算法来检测接收天线相对于发射信号的姿态，其中接收天线是用三维多普勒效应特征图调制的，以及发射信号是用三维多普勒效应特征图调制的。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，该系统可以识别受多径效应破坏的信号所产生的不良影响，并且随后缓解这种不良影响。

本发明的另一个目的是提供一种天线阵列，该阵列在所发射或所接收的信号中产生了三维相位中心移动。

本发明的另一个目的是提供一种用于空间调制的电子装置，该装置能在只需要最少的物理天线元件的情况下准确产生使用三维多普勒效应特征图调制的信号。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，其中在确定姿态的过程中，该系统不需要用户接收机使用载波追踪环路。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，其中该系统从多普勒效应测量结果中消除了用户运动以及用户接收机的时钟漂移。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，其中该系统不需要解决载波周期整体模糊的问题。

本发明的另一个目的是提供一种姿态确定系统，其中该系统只需要单个用户接收机来确定姿态。

本发明的上述目的是如下实现的：借助于以预定方式在三维空间中移动的辐射(radiating)装置来发射信号，以便在发射信号上叠加周期性(cyclic)多普勒效应；借助于以预定方式在三维空间中移动的接收装置来接收所述发射信号，由此将周期性多普勒效应被叠加到接收信号上；调整接收装置在三维空间的运动，以便在接收信号上将叠加的周期性多普勒效应减至最小；以及基于使接收装置与辐射装置相校准所需要的调整来确定姿态。

作为选择，本发明的上述目的是如下实现的：借助于以预定方式在三维空间中移动的辐射装置来发射信号，以便在发射信号上叠加周期性多普勒效应；借助于以预定方式在三维空间中移动的接收装置来接收发射信号，以便在接收信号上叠加周期性多普勒效应；通过解译接收到的周期性多普勒效应，分析接收装置相对于辐射装置的运动；以及基于所解译的多普勒效应来确定姿态。

本发明公开的是一种通过对所谓的空间移位键控发射(SSK-T)调制特征图和所谓的空间移位键控接收(SSK-R)调制特征图进行相关来确定姿态的系统和方法。空间移位键控发射(SSK-T)调制特征图是由辐射装置在三维空间中的运动产生的，由此在初始发射信号上叠加预定的多普勒效应特征图。空间移位键控接收(SSK-R)调制特征图则由接收装置在三维空间中的运动实现，由此在接收信号上叠加预定的多普勒效应特征图。在本说明书中，术语“多普勒效应”和“多普勒效应特征图”包含了关于波中的明显频率变化的众所周知的概念，其中所述频率变化是传输源和接收机的相对运动产生的。然而，说明书中使用的术语“多普勒效应”和“多普勒效应特征图”还包含了接收相位、频率的明显变化或是发射装置和接收装置的相对运动所产生的积分载波相位(ICP)的明显变化。通过对空间移位键控发射(SSK-T)调制特征图和空间移位键控接收(SSK-R)调制特征图进行相关，可以在空间上校准辐射装置和接收装置。在下文中，这种校准也称为“空间相关”或“空间同步”。在下文中将对“多普勒效应特征图”、“空间相关”以及“空间同步”这些新术语的特征、特性和应用进行详细描述。

通过使用本发明并且结合事前(a priori)已知的辐射装置姿态，可以准确确定接收装置的姿态。

附图说明

图1是依照本发明的空间移位键控(SSK)调制系统的简单的机械实施例的图示，其中包括由空间移位键控发射(SSK-T)天线向空间移位键控接收(SSK-R)天线发射空间调制信号；

图2是图1所示的本发明的简单机械实施例的多普勒效应-时间曲线图，其中与空间移位键控发射(SSK-T)天线元件(1赫兹)相比，空间移位键控接收(SSK-R)天线元件以略高的频率(1.1赫兹)被旋转(rotate)，由此接收天线元件向内回旋(slew)并且不与发射天线相校准；

图3是图2所描述的处理中的多普勒效应功率-时间曲线图，由此测量得到的多普勒效应会在每一个旋转(特征图)周期上合并，并且转变成多普勒效应功率值；

图4是依照本发明并以电子方式进行切换的简单的空间移位键控(SSK)调制系统的实施例图示，其中包括由空间移位键控发射(SSK-T)天线向空间移位键控接收(SSK-R)天线发射空间调制信号；

图5是图2和图3中描述的简单机械实施例的信号强度-时间曲线图以及特征图基准信号强度(SRSS)-时间曲线图，其中显著的多径衰落在信号强度测量结果中是很明显的；

图6是追踪空间移位键控发射(SSK-T)天线的空间移位键控接收(SSK-R)天线的多普勒效应自相关响应函数(多普勒效应功率-角偏移)曲线图；

图7是依照本发明的连续的所谓的空间锁定环路(SLL)的图示，由此空间移位键控接收(SSK-R)天线包含了超前、即时和滞后追踪臂，这些追踪臂彼此之间在角度上被偏移；

图8是依照本发明的空间移位键控(SSK)调制系统的简单差分机械实施例的图示，其中包括由空间移位键控发射(SSK-T)天线向包含一对接收天线元件的空间移位键控接收(SSK-R)天线发射一对空间调制信号；

图9是依照本发明并以电子方式平移(panned)的阵列的图示，其中包括两个空间分布的天线元件、传输源、两个可变增益装置以及控制装置；

图10是依照本发明的三维平移空间移位键控发射(SSK-T)天线以及匹配的三维平移空间移位键控接收(SSK-R)天线的图示。每一个空间移位键控(SSK)天线包括四个天线元件，这四个天线元件在空间上分布在彼此的四分之一波长之内，并且是以四面体的形状放置的。

具体实施方式

在这里公开的是一种通过对空间移位键控发射(SSK-T)特征图以及本地产生的空间移位键控接收(SSK-R)特征图执行空间相关来确定接收机姿态的系统和方法。发射机被配置成经由空间移位键控发射(SSK-T)天线来产生定位信号，其中该天线在空间中以预定运动的方式来移动其相位中心。这种预定运动会在预定间隔上重复执行，由此在所发射的定位信号上感生出预定的周期性多普勒效应图案(pattern)。这个预定间隔称为“特征图周期”，而预定的周期性多普勒效应图案则称为“多普勒效应特征图”。用户接收机被配置成经由空间移位键控接收(SSK-R)天线来接收那些被多普勒效应更改的定位信号，其中该天线也是以相同的预定运动方式而在空间中移动其相位中心的，由此，该天线与空间移位键控发射(SSK-T)天线是在相同的预定间隔中重复移动。这样一来，空间移位键控接收(SSK-R)天线会在已被多普勒效应更改的发射定位信号上感生出第二个周期性多普勒效应成分。用户接收机内部的天线同步控制装置则驱使测量得到的接收定位信号的多普勒效应为零，以便连续调整空间移位键控接收(SSK-R)天线的预定运动的频率和相位，从而与所发射的多普勒效应特征图相匹配。一旦将接收到的多普勒效应减至最小，那么空间移位键控发射(SSK-T)天线和空间移位键控接收(SSK-R)天线会以一致方式运动，这时，用户接收机宣称它们在空间上是校准的。现在，通过测量使天线空间相关所需要的天线同步控制装置偏移，可以精确确定与空间移位键控发射(SSK-T)天线姿态相对的空间移位键控接收(SSK-R)天线姿态。

当空间移位键控发射(SSK-T)天线在空间中以预定运动的方式移动其相位中心，并且空间移位键控接收(SSK-R)天线在相同的预定间隔中进行相同的预定运动时，这种相同的周期性运动称为空间同步或空间相关。应该理解的是，在本说明书的上下文中，术语“同步”不仅仅涉及的是时间重合的概念，这一点是非常重要的。本说明书中使用的空间同步包含了时间和空间中的相同的天线运动周期。

空间移位键控(SSK)调制特征图可以用多种不同介质产生。举例来说，人类听觉频谱中的声波、超声波、红外线以及无线电波都是可以使用的。在本发明的优选实施例中，射频(RF)波是优选介质。因此，在本发明的优选实施例中，空间移位键控发射(SSK-T)调制是由发射天线相位中心在三维空间中的移动实现的，这样一来，在初始发射的射频(RF)信号上将会叠加预定的相位、频率、积分载波相位或多普勒效应特征图。空间移位键控接收(SSK-R)调制是由接收天线相位中心在三维空间中的移动实现的，这样一来，在接收到的射频(RF)信号上将会叠加预定的相位、频率、积分载波相位或多普勒效应特征图。

系统和方法

现在参考图1，该图描述的是本发明的简单的平面机械实施例。定位信号发射机101是用空间移位键控发射(SSK-T)天线102配置的。所述空间移位键控发射(SSK-T)天线102包括安装在旋转臂104一端的发射天线元件103，而旋转臂104的另一端则与伺服电动机这样的旋转装置105相连。旋转臂104具有固定的长度，并且在名为特征图周期的预定周期中以预定速率旋转。这个周期是发射天线元件103完成其预定空间图案旋转所需要的时间。在这个示范性的施例中，为了便于解释，发射天线103是以1Hz的速率沿顺时针方向旋转的(每秒一次整转)，但是这个速率也可以变更为用户载波追踪环路带宽以内的任何速率。此外，在这里还对发射机旋转臂104进行了配置，以使发射天线元件103在每一秒的开端经过其最北的点106。这样一来，在这个示范性的实例中，通过对空间移位键控发射(SSK-T)天线102进行配置，可以使用基本方位中的北方作为参照系主轴。

用户接收机107是用空间移位键控接收(SSK-R)天线108配置的，该天线安装在用户平台109上，并且与空间移位键控发射(SSK-T)天线102处于相同平面。空间移位键控接收(SSK-R)天线108是以固定方位附着于用户平台109的，由此空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110优选与用户平台109的主体架构主轴111相校准。作为选择，如果空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110与用户平台109的主轴111没有相互校准，则可以测量这两个主轴110、111的相对方位，并且采用算术方法来使这两个主轴相互校准。空间移位键控接收(SSK-R)天线108包含了安装在接收机旋转臂113的一端的接收天线元件112，而接收机旋转臂113的另一端则与伺服电动机之类的旋转装置114相连。接收机旋转臂113与发射机旋转臂104具有相同的长度，并且能以可变速率进行旋转。而用户接收机107则被配置成经由接收天线元件112来接收发射天线元件103所发射的定位信号115，并且测量接收信号的多普勒效应值。为了便于解释，在这里假设发射机101和用户接收机107的时钟是按时序同步的，空间移位键控发射(SSK-T)天线102和空间移位键控接收(SSK-R)天线108是固定的，以及发射天线元件103和接收天线元件112是沿顺时针方向旋转的。根据旋转的发射天线元件103与旋转的接收天线元件112的相对运动，用户接收机107可以观察到不断变化的周期性多普勒效应。当发射天线元件103和接收天线元件112以一致方式旋转时，这两个天线将会同时经过其相应旋转中的最北的点。在这种示范性的情况下，在接收天线元件112经过其最北的点116的同时，发射天线元件103同样经过自身最北的点106。天线元件103和112则被判定是空间相关的，并且用户接收机107测得的多普勒效应处于最小值。

如果天线元件旋转偏离空间相关状态，那么在天线元件相互之间异相旋转180度以及测得的多普勒效应处于最大值，多普勒效应将会一直增大。当发射天线元件103与接收天线元件112相互异相旋转了180度时，在接收天线元件112经过其旋度117中的最南点的同时，发射天线元件103将会经过其旋度106中的最北点。这时判定天线元件在空间上是不相关的，并且用户接收机107测得的多普勒效应处于最大值。天线同步控制装置118则被配置成对旋转装置114的速度进行调整，直至用户接收机107测得的接收多普勒效应处于最小值。此外，天线同步控制装置118还会增大或减小旋转装置114的速度，以使接收天线元件112回旋成与发射天线元件103的旋转相校准。一旦测得的多普勒效应处于最小值，那么接收天线元件112的旋转速度将会稳定到发射天线元件103的旋转速度(在本实例中是1Hz)，并且现在可以判定发射天线元件103与接收天线元件112在空间上是相关的。天线同步控制装置118将会连续不断地校正旋转装置114，以便保持空间相关状态。

当发射天线元件和接收天线元件以不同的恒定速度旋转时，它们将会产生周期性多普勒效应。如果将接收天线元件112配置成在比发射天线元件103的频率(1赫兹)略高的频率(1.1赫兹)上旋转，那么接收天线元件112会以这两个频率的差值(0.1赫兹)为速率进行回旋，并且不与发射天线元件103相校准。现在参考图2，该图描述的是从这种结构中测量的多普勒效应所具有的多普勒效应-时间曲线图。多普勒效应是在纵轴上以赫兹为单位来定标的，而时间则是在横轴上以秒为单位定标的。曲线图201和202上的最小多普勒效应点是两个天线元件在空间上重合的点，而曲线图203、204和205上的最大多普勒效应点则是两个天线元件彼此相位相差180度的点。

现在参考图3，该图描述的是与图2所述的测量结果相关的多普勒效应功率-时间曲线图。在纵轴上，在每一秒的特征图周期合并的多普勒效应测量结果是作为多普勒效应功率值表示的。与图2一样，横轴表示时间并且同样用秒为单位来定标。曲线图301、302上的最小多普勒效应功率点是两个天线元件在空间上重合的点，而曲线图303、304和305上的最大多普勒效应功率点则是两个天线元件相位彼此相差180度的点。比较图2和图3可以看出，对空间移位键控接收(SSK-R)天线以及空间移位键控发射(SSK-T)天线来说，其相位中心的空间相关是在多普勒效应功率最小的点301、302上实现的。因此，在本发明的一个实施例中，通过调整天线同步控制装置，可以驱使特征图周期上测得的多普勒效应功率值变成最小值，由此可以实现天线的空间相关。

再次参考图1，发射天线元件103被配置成在每一秒的开端经过其旋转106中的最北点。这样一来，当接收天线元件112与发射天线元件103在空间上相关的时候，在每一秒的开端，接收天线元件112的位置表示的是其旋转116中的最北点。此外，从该信息中还可以精确确定用户平台109相对于北方116所具有的方位的信息。该处理是如下实现的：测量接收天线元件112经过空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110的时间，以及根据同步的接收天线元件112的已知旋转速率来计算角偏移。在这个简单的机械实施例中，在空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110上放置了一个切换器119，旋转接收臂113则从其下方经过。当旋转接收臂113从上方经过时，这时将会触发这个开关119，用户接收机107将会记录一个以1秒为模的时间戳。根据这个以1秒为模的时间戳(time stamp)，并且通过将所确定的行程时间(在这种情况下是以1秒为模的时间戳)与同步接收天线元件112的已知旋转速率相除，可以计算出空间移位键控接收(SSK-R)天线108相对于北方116的方位。对示范性实例来说，同步接收天线元件112经过空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110，开关119将被触发，用户接收机107将会记录一个大小为0.8257秒并以1秒为模的第二时间戳。在速率为1赫兹时，接收天线元件112会在大约2.78毫秒的时间里经过一个弧度。因此，用户方位是将0.8257秒与0.00278秒相除，这与相对于北方116而在顺时针方向上偏转297度是等价的。

在替换实施例中，通过在每一个特征图周期开端测量空间同步的接收天线旋转臂113的角偏移，可以计算出空间移位键控接收(SSK-R)天线108相对于北方116的方位。角度测量装置可以用接收机旋转臂部件来进行配置，该装置可以测量与空间移位键控接收(SSK-R)天线108的主轴110相对的角偏移。对空间同步的接收天线旋转臂113来说，其角偏移是在每一个特征图周期开端从空间移位键控接收(SSK-R)天线108中读取的，在这个1Hz的示范性实例中，该周期处于每一秒开端。这个测量结果对应的是空间同步的接收天线旋转臂113经过其旋转116中的最北点的时间，由此可以提供空间移位键控接收(SSK-R)天线108相对于北方116的精确角偏移。

天线相位中心的电子形式的移动

虽然天线元件的物理运动是一个简单描述的发明实施例，但是由于工程复杂、制造成本高以及可能出现机械故障，因此这种系统被认为是不切实际的。为此，本发明的优选实施例揭示了一种以电子方式产生多普勒效应特征图的方法。天线相位中心的电子移动是通过在预定结构中空间散布天线元件并且连续切换天线元件来产生合成相位中心移动而被实现的。

现在参考图4，该图描述的是本发明中是用电子方式进行切换的简单实施例。定位信号发射机401是用空间移位键控发射(SSK-T)天线402配置的。空间移位键控发射(SSK-T)天线402包括以环形图案安装的八个发射天线元件403-1到403-8所组成的阵列。每一个发射天线元件都与一组射频(RF)转换开关404相连，这组转换开关转而连接到定位信号发射机401此外，射频开关组404还与微处理器之类的控制装置405相连，该装置可以根据需要单独激活或停用RF转换开关组中的每一个RF开关。控制装置405则被配置成激活或是停用RF转换开关组404中的相关转换开关，由此连续切换各个天线元件403-1到403-8，这样一来，发射相位中心将会来回经过阵列403-1到403-8。这种相位中心移动会在所发射的定位信号406上感生出预定的周期性多普勒效应。虽然在这个示范性实施例中使用了八个天线元件，但是任意数量的天线元件都被视为落入本发明的广义范畴和范围以内。

用户接收机407是用空间移位键控接收(SSK-R)天线408配置的，该天线包括以环形图案安装的接收天线元件409-1到409-8所组成的阵列，其中该环形图案的半径与发射天线元件403-1到403-8的环形图案具有相同半径。每一个接收天线元件409-1到409-8都与一组射频(RF)转换开关410相连，这组开关则转而连接到用户接收机407。此外，RF转换开关组410还与微控制器之类的天线同步控制装置411相连，其中该装置可以根据需要而单独激活和停用RF开关转换组410中的每一个RF转换开关。天线同步控制装置411被配置成激活和停用RF转换开关组410中的相关转换开关，由此连续切换各个接收天线元件409-1到409-8，以使相位中心以及接收信号来回经过阵列409-1到409-8。这种运动会在接收到的定位信号上感生出周期性多普勒效应。天线同步控制装置411则被配置成对接收机天线的RF转换开关组410的时间进行调整，直至测量得到的接收多普勒效应处于最小。此外，天线同步控制装置411还可以增大或减小接收天线元件转换开关组410的速度，以使接收天线相位中心回旋成与发射天线相位中心的旋转相校准。一旦测得的多普勒效应处于最小，则可以将接收天线切换速度稳定到发射天线切换速度，并且宣称发射天线阵列403-1到403-8与接收天线阵列409-1到409-8在空间上是相关的。天线同步控制装置411将会连续不断地调整接收天线的RF转换开关组410的速度，以便保持空间相关状态。虽然在示范性实例中使用了八个天线元件，但是任意数量的天线元件都被视为落入本发明的广义范畴和范围以内。

空间移位键控发射(SSK-T)天线402还被配置成在每一秒的开端激活其最北的天线元件403-1。由此，当空间移位键控接收(SSK-R)天线408与空间移位键控发射(SSK-T)天线402在空间上同步的时候，在每一秒的开端，当前有效的接收天线元件的位置代表了空间移位键控接收(SSK-R)天线408的相位中心旋转中的最北点。此外，根据该信息，并且通过测量激活空间移位键控接收(SSK-R)天线408的主轴413上的接收天线元件409-2的时间(以1秒为模)，可以确定空间移位键控接收(SSK-R)天线408相对于北方412的方位。通过将所确定的相位中心行程时间(在这种情况下是以1秒为模的时间戳)与接收天线元件409-1到409-8的同步相位中心的已知旋转速率相除，可以从这个以1秒为模的时间戳中计算出空间移位键控接收(SSK-R)天线408相对于北方412的方位。

按时序同步

用户接收机时间与发射机时间的时序同步可以通过使用(1)单点定位解，或者(2)调制在至少一个发射定位信号上的时间来实现。

用户接收机可以从处于已知位置并按时序同步的发射机网络中计算出单点位置解，这个解也称为位置、速度、时间(PVT)解。按时序同步的发射机网络可以包括空间移位键控(SSK)调制信号，由此允许从多个空间移位键控(SSK)发射定位信号中推导出单点位置解。作为选择，单点位置解也可以从全球导航卫星系统(GNSS)之类的外部信源加以推导。所述单点位置解允许用户接收机确定精度达到纳秒级别的网络时间。在本领域中，按时序同步的网络以及单点位置解是众所周知的，并且这些内容并不是本发明的主题。

作为选择，用户接收机还可以通过接收调制在至少一个发射定位信号上的时间来确定发射机时间。这种经过调制的时间将会延迟一段时间，这段时间即为通常所说的信号传播延迟，它是无线电波从发射机到达接收机所要耗费的时间。因此，对处于用户接收机的若干千米范围以内的发射定位信号来说，调制在发射定位信号上的时间将会产生微秒级别的时间精度。

作用于多普勒效应特征图的多径效应

对固定的空间移位键控接收(SSK-R)天线来说，在其每次经过其空间图案中的同一位置时，其相位中心将会穿过相同的多径衰落，因此该天线将会遭遇到周期性多普勒效应以及信号强度波动。这有可能导致用户接收机载波跟踪环重复出现不稳定的现象，对用户接收机来说，这种不稳定是作为周期性多普勒效应出现的。天线同步控制装置有可能将这个多普勒效应错误地理解成是空间移位键控接收(SSK-R)天线相位中心在空间上的不连贯性，并且有可能错误地尝试纠正天线同步。因此，在这里必须识别多个路径产生的周期性多普勒效应，并且将其从天线同步控制装置中排除，以便保持稳定的多普勒效应特征图的空间同步。本发明的优选实施例是如下实现这个目标的：使用信号强度测量结果来识别多径衰落，然后消除与被测信号强度衰落相关联的多普勒效应测量结果。在优选实施例中，天线同步控制装置仅仅使用了与可接受的信号强度电平相关联的多普勒效应测量结果，其中载波追踪环路将会正确测量多普勒效应。优选地，这些可接受的信号强度电平是通过在特征图周期上求取接收信号强度平均值以及确定低于特征图基准信号强度(SRSS)的信号强度阈值而被确定的，其中特征图周期上求取的接收信号强度平均值即为特征图基准信号强度，并且对低于所述特征图基准信号强度的信号强度阈值来说，这其中的多普勒效应测量结果被认为是不可接受的。与所述阈值以下的信号强度相关联的多普勒效应测量结果不会为天线同步控制装置所接受。作为选择，特征图基准信号强度也可以用其他数学方法确定，例如中值、标准偏差、方差、斜度、峰度(kertosis)或是类似的接收信号强度统计量度。

在信号强度恢复之后，追踪环路的稳定性有可能在一段时间中会受到影响。因此，在这里可以设置第二阈值，以便由天线同步控制装置用于多普勒效应恢复。在示范性实例中，当信号强度降至特征图基准信号强度(SRSS)以下3dB时，天线同步控制装置可以忽略多普勒效应测量结果，并且可以在信号强度升至特征图基准信号强度(SRSS)以上1dB时恢复使用多普勒效应测量结果。

现在参考图5，该图显示的是信号强度-时间曲线图501，其上则叠加了特征图基准信号强度(SRSS)-时间曲线图502，其中固定的空间移位键控接收(SSK-R)天线会以循环图案连续移动其相位中心并且穿过多径衰落。多径衰落会在相位中心每一次整转的时候出现，当相位中心每次穿过多径衰落时，信号强度测量结果501中的周期性功率衰落将会非常明显。与信号强度测量结果相比，特征图基准信号强度(SRSS)测量结果502更为一致，由此提供了相对稳定的信号强度基准。

多普勒效应特征图追踪

与空间移位键控接收(SSK-R)天线相关联的天线同步控制装置必须将接收到的多普勒效应保持在最小值，以便保持其与所发射的空间移位键控(SSK)多普勒效应特征图的空间相关性。在本发明的优选实施例中，这个目标是用专用追踪环路实现的，该环路即为通常所说的空间锁定环路(SLL)。所述空间锁定环路(SLL)优选包含了超前和滞后追踪臂或是超前、即时和滞后追踪臂。追踪臂是通过在空间移位键控接收(SSK-R)天线的预定周期性图案内部空间分布多普勒效应特征图，以及为每一个空间分布的多普勒效应追踪臂计算多普勒效应功率值而被创建的。在平面的空间移位键控(SSK)天线中，追踪臂将会产生多普勒效应特征图，这些多普勒效应特征图在空间上是作为彼此的角偏移而被描述的，其中超前追踪臂会在超前于滞后追踪臂多普勒效应特征图的角度上产生多普勒效应特征图。在优选实施例中，在特征图周期上将会合并来自每一个追踪臂的多普勒效应值，从而形成超前追踪臂的多普勒效应功率值以及滞后追踪臂的多普勒效应功率值。随后，这些超前和滞后追踪臂的多普勒效应功率值将会进行比较，以便形成校正值，所述校正值则传递到同步控制装置，以便对空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心运动进行必要调整。

为了确定使空间移位键控接收(SSK-R)天线与所发射的空间移位键控(SSK)多普勒效应特征图实现空间相关所需要的校正值，对空间移位键控接收(SSK-R)天线来说，其多普勒效应的自相关响应函数必须是已知的。为了确定这个函数，对具有已知开始位置的空间移位键控发射(SSK-T)天线来说，其相位中心会以固定角速度移经其特征图图案的完整周期。同时，对具有已知的相关开始位置的空间移位键控接收(SSK-R)天线来说，其相位中心也会以相同的固定角速度移经其特征图图案的完整周期。多普勒效应自相关响应函数是通过以下处理而从所描述的这种结构中产生的：(a)确定空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心相对于空间移位键控发射(SSK-T)天线的相位中心的角偏移，(b)测量在特征图周期中接收的多普勒效应，(c)合并接收到的多普勒效应，以便确定特征图周期中的多普勒效应功率值，(d)在多普勒效应功率-角偏移曲线图上显示所确定的多普勒效应功率值，(e)少量增大空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心开始位置(角偏移)(例如增大1度)，以及(f)重复执行上述步骤。

现在参考图6，该图描述的是空间移位键控接收(SSK-R)天线的多普勒效应自相关响应函数(多普勒效应功率-角偏移)曲线图的图示实例，其中如说明书中的图1～图4所述，该天线接收的是空间移位键控发射(SSK-T)天线信号。空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心以圆周运动的形式旋转，其中所述圆周运动具有已知的姿态和固定的角速度，此外，该天线还接收空间移位键控发射(SSK-T)天线调制的信号，其中所述信号同样以圆周运动的形式来旋转其相位中心，并且这种圆周运动具有固定姿态以及相同的固定角速度。这两个空间移位键控(SSK)天线相同平面上，并且特征图周期是由360度的旋转构成的。在零度的角偏移601，空间移位键控接收(SSK-R)天线会在特征图周期中产生最小的多普勒效应功率值，由此与所发射的多普勒效应特征图空间相关。这个角偏移被称为多普勒效应功率最小值(DPM)601。在+/-180度602-1、602-2，空间移位键控接收(SSK-R)天线将会产生特征图周期中的最大多普勒效应功率值，由此在空间上与所发射的多普勒效应特征图不相关。空间移位键控接收(SSK-R)天线与零度601上的三维多普勒效应功率最小值(DPM)之间的角偏移将会跨越到大约正的100度603-1以及负的100度603-2，并且会在多普勒效应功率中产生实际线性的递增，而在空间相关中则产生相应的递减。与其他多普勒效应特征图相对应的多普勒效应自相关响应函数同样被认为是落入了发明的广义范畴和范围以内。

在图6中还描述了正确执行追踪的空间锁定环路(SLL)，借助该环路，超前追踪臂604-1处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之前45度的位置，滞后追踪臂604-2则处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之后45度的位置。在该结构中，超前追踪臂604-1和滞后追踪臂604-2会在特征图周期中显现出相等的多普勒效应功率值。超前追踪臂604-1的多普勒效应功率值将被从滞后追踪臂604-2的多普勒效应功率值中减去，以便确定校正幅度和符号值，这种处理被称为“超前与滞后相减(early-minus-late)”处理。随后，这些校正幅度和符号值将会传递到天线同步控制装置，并且将对空间移位键控接收(SSK-R)天线进行必要调整。换言之，空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心旋转将会提前或退后必要数量，以使空间移位键控发射(SSK-T)天线的相位中心与空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心实现空间校准。这个处理将会以闭环方式连续更新，以便尽可能将超前与滞后相减值校准成零。在驱使超前与滞后相减值低于预定阈值的时候，这时可以宣称空间移位键控接收(SSK-R)天线与空间移位键控发射(SSK-T)天线在空间相关。

当空间锁定环路(SLL)处于捕获模式或者当用户突然运动时，超前和滞后追踪臂未必“横跨”多普勒效应功率最小值(DPM)601。此外，在图6中还描述了捕获模式中的空间锁定环路(SLL)的说明性实例，其中超前追踪臂605-1处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之前120度的位置，滞后追踪臂605-2则处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之前30度的位置。在这种结构中，超前追踪臂605-1和滞后追踪臂605-2并未跨越多普勒效应功率最小值(DPM)601，并且显现出不等的多普勒效应功率值。超前追踪臂605-1的多普勒效应功率值将会与滞后追踪臂605-2的多普勒效应功率值相减(超前与滞后相减)，以便确定校正幅度和符号。这个符号是正确的，并且同步控制装置会在恰当的方向上移动空间移位键控接收(SSK-R)天线旋转。然而，一般来说，该幅度不足以使超前和滞后追踪臂605-1和605-2跨越多普勒效应功率最小值(DPM)601。因此，在正确放置追踪臂之前，有必要多次重复执行这个校正处理。

对超前追踪臂606-1和滞后追踪臂606-2来说，它们可以校准到602-1这样的180度的多普勒效应峰值，并且显现出实际相等的多普勒效应功率值。然而在这种情况下，超前与滞后相减的追踪值将会显现出用以保持追踪的不正确符号，并且追踪臂601-1和606-2将会“跌落”多普勒效应功率峰值602-1。因此，在正确定位追踪臂之前将会多次执行这个校正处理。

在本发明的另一个实施例中，在超前与滞后追踪臂之间还可以放置即时追踪臂，以便加快锁定环路(SSL)的捕获和追踪处理。此外，图6中还描述了一个正确执行追踪的空间锁定环路(SLL)，由此，超前追踪臂604-1处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之前45度的位置，追踪臂604-3处于多普勒效应功率最小值(DPM)601的位置，滞后追踪臂604-2则处于多普勒效应功率最小值(DPM)601之后45度的位置。超前追踪臂604-1的值将被从即时追踪臂值604-3中减去(超前与即时相减)，滞后追踪臂604-2的值则被从即时追踪臂的值604-3中减去(滞后与即时相减)，由此创建附加信息。正确执行追踪的空间锁定环路(SSL)将会提供大小约等于0的超前与滞后相减追踪臂，其中超前与即时相减以及滞后与即时相减的值将会提供实际相等的幅度和正号。如果空间移位键控接收(SSK-R)天线略微偏离峰值，但是超前与滞后追踪臂仍旧“跨越”多普勒效应功率最小值(DPM)601，那么空间锁定环路(SSL)将会提供非零的超前与滞后相减追踪臂值，其中超前与滞后相减以及滞后与即时相减的值提供了不等的幅度以及正号。没有正确执行追踪的空间锁定环路(SSL)不会“跨越”多普勒效应功率最小值(DPM)601，它提供的是非零的超前与滞后相减追踪臂值，其中超前与即时相减以及滞后与即时相减的值提供的是不等的幅度以及相反的符号。如果在180度602-1或602-2追踪空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心，那么空间锁定环路(SSL)将会提供实际为零的超前与滞后相减追踪臂值，其中超前与即时相减以及滞后与即时相减的值提供的是实际相等的幅度和负号。由此可以看出，对在正确的结构中运作的锁定环路(SSL)来说，提前与即时相减的值以及滞后与即时相减的值必定提供正号。在从提前与即时相减以及滞后与即时相减的追踪臂值中测得正号之前，空间移位键控接收(SSK-R)天线同步控制装置将会一直回旋接收天线相位中心。一旦指示正号，则使用超前与滞后相减的追踪臂值而使空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心与空间移位键控发射(SSK-T)天线的相位中心实现空间相关。

追踪臂技术

在空间移位键控接收(SSK-R)天线中，追踪臂可以用两种方式创建：

(1)对空间移位键控接收(SSK-R)天线进行配置，以便同时产生多个在空间上相互偏离的相同多普勒效应特征图。每一个多普勒效应特征图分别输出到其自身的处于用户接收机中的分立射频(RF)前端。由此，所有追踪臂的多普勒效应值都是同时产生的。或者

(2)对空间移位键控接收(SSK-R)天线进行配置，以便连续产生多个在空间上相互偏离的相同多普勒效应特征图。每一个多普勒效应特征图连续输出到其自身的处于用户接收机中的分立射频(RF)前端。由此，所有追踪臂的多普勒效应值都是按顺序产生的。

在本发明的优选实施例中，其中在空间移位键控接收(SSK-R)天线中使用了连续产生的多普勒效应特征图来创建追踪臂。现在参考图7，该图描述的是用空间移位键控接收(SSK-R)天线702配置的用户接收机701，其中该天线包含了由环形安装的八个接收天线元件703-1到703-8所组成的阵列。每一个接收天线元件703-1到703-8都与射频(RF)转换开关组704相连，所述转换开关组转而连接到用户接收机701。此外，射频(RF)转换开关组704还与微处理器之类的天线同步控制装置705相连，该装置可以根据需要来单独触发和停用射频(RF)转换开关组704内部的各个射频(RF)转换开关。天线同步控制装置705则被配置成触发和停用射频(RF)转换开关组704中的相关转换开关，以便连续切换每一个接收天线元件703-1到703-8，并使相位中心以及接收信号来回经过阵列703-1到703-8。

在这里还显示了三个圆706、707、708，它们描述的是相位中心旋转序列。每一个圆形涉及的是与空间移位键控接收(SSK-R)天线701的第一相位中心旋转(超前多普勒效应特征图)706，第二相位中心旋转(即时多普勒效应特征图)707以及第三相位中心旋转(滞后多普勒效应特征图)708相对应的周期。空间移位键控接收(SSK-R)天线702的第一相位中心旋转706是在第一接收天线元件703-1上开始的，该元件将被作为第一相位中心706整转的起点709。为第一相位中心旋度706测量的多普勒效应功率值作为超前追踪臂值保存在用户接收机701内部的超前追踪臂存储器710中。在第一相位中心结束旋转之后，这时将会立即发起空间移位键控接收(SSK-R)天线702的第二相位中心旋转707，其中所述旋转是在与第一相位中心旋度706的起点709相距预定角偏移的位置开始的。在这个示范性实施例中，这个角偏移是用天线元件703-2表示的。空间移位键控接收(SSKR)天线702的第二相位中心旋转是在接收天线元件703-2上开始的，其中该元件将被作为第二相位中心旋转707的整转起点711。为这个第二相位中心旋转707所测量的多普勒效应功率值作为即时追踪臂值保存在用户接收机701内部的即时追踪臂存储器712中。在结束了第二相位中心旋转707之后，这时将会立即开始空间移位键控接收(SSK-R)的第三相位中心旋转708，其中所述旋转是在与第二相位中心旋转707的起点711相差预定角偏移的位置开始的。在这个示范性实施例中，这个角偏移是用天线元件703-3表示的。空间移位键控接收(SSK-R)天线702的第三相位中心旋转708是在第三接收天线元件703-3的位置开始的，并且该天线元件将被作为第三相位中心旋转708的整转起点713。为这个第三相位中心旋转708测量的多普勒效应功率值作为滞后追踪臂值保存在用户接收机701内部的滞后追踪臂存储器714中。随后，用户接收机701会对超前追踪臂存储器710、即时追踪臂存储器712以及滞后追踪臂存储器714中存储的多普勒效应功率值进行比较，并且计算出空间锁定环路(SSL)的幅度以及符号校正值。然后，这些计算得到的值将会传递到空间移位键控接收(SSK-R)天线同步控制装置705，以便对空间移位键控接收(SSK-R)天线702的相位中心旋转进行必要调整。

在本发明的这个示范性实施例中，每一个天线元件702-1到702-8之间存在45度的角偏移，由此使得超前追踪臂处于滞后追踪臂之前90度的位置。然而，任意数量的天线元件以及追踪臂角偏移值都落入本发明的广义范畴和范围以内。

用户移动所感生的多普勒效应

空间移位键控接收(SSK-R)天线的用户移动会在接收到的多普勒效应特征图上感生附加的多普勒效应成分。为了避免损害空间移位键控(SSK)天线的空间同步，有必要从天线同步控制装置中清除用户移动所感生的多普勒效应。该处理可以使用下列方法之一或者下列方法的组合来实现：

方法1.本发明的空间锁定环路(SLL)方法考虑的是将超前追踪臂的多普勒效应功率值与滞后追踪臂的多普勒效应功率值相减，也就是通常所说的超前与滞后相减处理。这种处理对同时来自所发射的单个多普勒效应特征图的超前和滞后追踪臂的多普勒效应功率值进行差分，并且消除了所有那些因为用户移动而感生的多普勒效应。虽然本发明的一个实施例可以同时捕获追踪臂值，但在空间锁定环路(SSL)的优选实施例中，追踪臂值是连续获取的。由于在两个连续测量过程中，用户的移动有可能不同，因此这有可能导致超前与滞后相减值中出现误差。这个误差来源可以通过增大多普勒效应特征图速率而得以缓解，由此可以减小超前与滞后追踪臂测量时期之间的时段，并且由此将测量之间可能出现的用户移动减至最少。

方法2.在接近空间移位键控发射(SSK-T)天线)的位置配置并发射唯一的静态定位信号，以使静态和空间移位键控(SSK)定位信号按时序同步，并且相对于漫游用户接收机而言具有实际相同的距离和单位矢量。以实际相同的距离和单位矢量接收的定位信号会因为用户的移动而在漫游的用户接收机上显现出实际相同的多普勒效应测量结果。在优选实施例中，用户接收机是用空间移位键控接收(SSK-R)天线以及接近空间移位键控接收(SSK-R)天线的单个固定基准天线配置的。单个固定基准天线并未产生所接收的多普勒效应特征图。空间移位键控发射(SSK-T)天线的多普勒效应特征图则是通过空间移位键控接收(SSK-R)天线接收的，并且所发射的静态(非特征图)定位信号是通过固定基准接收天线接收的。在这里为天线同步控制装置提供了一个差分信号，该信号表示的是接收到的固定基准信号与空间移位键控(SSK)信号之间的差值，由此可以排除用户移动。

方法3.使用用户接收机来配置惯性导航系统(INS)，并且对INS信号以及空间移位键控接收(SSK-R)天线信号进行差分处理，以便消除用户移动。将差分信号提供给天线同步控制装置。在本领域中，惯性导航系统是众所周知的，并且它并不是本发明的主题。

方法4.从频率较高的多普勒效应特征图中滤除低频用户移动，并且把经过高通滤波的信号提供给天线同步控制装置。

方法5.如下文详细描述的那样，应用所谓的差分多普勒效应特征图。

差分多普勒效应特征图

本发明还公开了一种用于确定接收机姿态的系统和方法，其中所述系统和方法不会受到用户移动和接收机时钟漂移的妨碍，它通过使用本地产生的接收机多普勒效应特征图来对所发射的多个多普勒效应特征图进行差分，从而确定接收机姿态。发射机被配置成产生多个唯一的定位信号，这些信号经由空间移位键控发射(SSK-T)天线的多个天线相位中心发射，其中每一个天线相位中心都显现出唯一的预定移动。每一个唯一的预定移动会在唯一的预定间隔上重复进行，由此在所发射的各个定位信号上感生唯一的预定多普勒效应特征图。接收机则被配置成通过空间移位键控接收(SSK-R)天线的多个天线相位中心来接收多个经过多普勒效应变更的唯一定位信号，其中每一个接收天线相位中心都会接收到唯一的定位信号。各个接收天线的相位中心被配置成以与其发射天线相位中心的预运动相同的定唯一预定运动方式来移动，并且在相同的唯一预定间隔上重复进行该移动。用户接收机内部的天线同步控制装置则驱使差分接收定位信号的多普勒效应功率测量结果为零，以便连续调整空间移位键控接收(SSK-R)天线的多个天线相位中心，由此匹配于多个唯一的空间移位键控发射(SSK-R)多普勒效应特征图。一旦将接收到的多普勒效应功率差减至最小，那么空间移位键控发射(SSK-T)天线的相位中心与空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心会以一致的方式移动，这时则宣称它们是空间相关的。现在，通过对用于实现天线空间相关所需要的天线同步控制装置的偏移进行测量，可以精确确定与空间移位键控发射(SSK-T)天线的姿态相对的空间移位键控接收(SSK-R)天线姿态。在差分处理中，其中将会排除因为用户移动或是接收机时钟漂移所导致的无关的多普勒效应。

现在参考图8，该图描述的是本发明的差分多普勒效应特征图方法的简单平面机械实施例。定位信号发射机801是用空间移位键控发射(SSK-T)天线802配置的。空间移位键控发射(SSK-T)天线802包括安装在旋转臂804一端并且发射第一唯一定位信号805的第一发射天线元件803，以及安装在旋转臂804的相对端并且发射第二唯一定位信号805的第二发射天线元件806，其中旋转臂804的中心与伺服电动机之类的旋转装置808相连。旋转臂804具有固定的长度，并且以预定速率旋转。在这个示范性实施例中，为了便于解释，发射天线803、806是以1Hz的速率沿顺时针方向旋转的(每秒一次整转)，但是这个速率可以变更为任何落入追踪环路带宽内部的速率。此外还可以对发射旋转臂804进行配置，以使第一发射天线元件803在每一秒的开端跨越其最北的点809，并使第二发射天线元件806在每一秒的开端跨越其最北的点810。

用户接收机811是用空间移位键控接收(SSK-R)天线812配置的，该天线安装在用户平台813上，并且与空间移位键控发射(SSK-T)天线802处于同一平面。空间移位键控接收(SSK-R)天线812则以固定方位附着于用户平台813，由此空间移位键控接收(SSK-R)天线812的主轴814优选校准到用户平台813的主体架构的主轴815。空间移位键控接收(SSK-R)天线812包括安装在旋转臂817的一端并且接收第一发射天线元件803所发射的第一唯一定位信号805的第一接收天线元件816，以及安装在旋转臂817的相对端并且接收第二发射天线元件806所发射的第二唯一定位信号807的第二接收天线元件818，旋转臂817的中心则与伺服电动机之类的旋转装置819相连。旋转臂817与发射旋转臂804具有相同的长度，并且能以可变的速率旋转。用户接收机811则被配置成通过第一接收天线元件816来接收发射天线元件803发射的第一定位信号805，并对接收到的第一定位信号805的多普勒效应值进行测量。同时，用户接收机811被配置成通过第二接收天线元件818来接收第二发射天线元件806所发射的第二定位信号807，并对接收到的第二定位信号807的多普勒效应值进行测量。根据发射天线元件803、806相对于接收天线元件816、818的移动，用户接收机811将会观察到不断变化的周期性多普勒效应。当第一发射天线元件803和第一接收天线元件816以一致方式旋转时，这两个天线元件将会同时经过其相应旋转中的最北的点(点809和点820)。同时，第二发射天线元件806和第二接收天线元件818将会经过其相应旋转中的最南的点(点810和点821)。这时则可以宣称天线是空间同步的，其中测量得到的第一发射天线元件803与第一接收天线元件816之间的多普勒效应将会最小，并且测量得到的第二发射天线元件806与第二接收天线元件818之间的多普勒效应也是最小。然后，接收到的第一多普勒效应观察值将被从接收到的第二多普勒效应观察值中减去，在当前情况下，这个处理将会产生一个实际为零的多普勒效应差值。由于在用第二定位信号807差分化第一定位信号805的过程中清除了所有用户感生的多普勒效应，因此这个实际为零的多普勒效应差值不会受到用户移动的扰乱。

如果天线元件的旋转偏离这种空间相关状态，那么多普勒效应将会一直增大，直到天线元件相互之间异相旋转180度以及测量得到的多普勒效应差值最大。当第一发射天线元件803与第一接收天线元件816彼此相位相差180度时，在第一发射天线元件803经过其旋转809中的最北的点的同时，第一接收天线元件816将会经过其旋转821中的最南的点。同时，当第二发射天线元件806经过其旋转810中的最南的点的同时，第二接收天线元件818将会经过其旋转820中的最北的点。这时则宣称天线在空间上是不同步的，其中测量得到的第一发射天线元件803与第一接收天线元件816之间的多普勒效应将会最大，并且在第二发射天线元件806与第二接收天线元件818之间测得的多普勒效应同样是最大的。非常重要的是，在用户接收机811进行测量的时候，这些多普勒效应观察值的相位彼此相差180度。然后，接收到的第一多普勒效应观察值将被从接收到的第二多普勒效应观察值中减去，由此会因为这两个观察值的异相特性而产生最大的测量多普勒效应幅度。非常重要的是，由于在差分处理中清除了所有用户感生的多普勒效应，因此这个加倍的多普勒效应差值不会受到用户移动的扰乱。此外，这个加倍的多普勒效应差值还为天线同步控制装置822提供了高分辨度的控制信号，由此改善了多普勒效应特征图的空间相关性。天线同步控制装置822则被配置成调整接收旋转装置819的速度，直至测得的接收多普勒效应差值处于最小。天线同步控制装置822可以增大或减小接收旋转装置819的速度，而这转而将会增大或减小旋转接收天线元件816、818的速度，以便将接收天线元件816、818回旋成与发射天线元件803、806的旋转相校准。一旦测量得到的多普勒效应差值最小，那么接收天线元件的旋转速度将会稳定成发射天线元件的旋转速度(在本实例中是1Hz)，这时将会宣称发射天线元件与接收天线元件空间相关。天线同步控制装置822连续不断地校正接收天线旋转装置819的旋转速度，以便与发射天线元件保持空间同步，这样一来，在因为用户移动而改变空间移位键控接收(SSK-R)天线平台813的方位时，空间相关性将会得到保持。然后，用户平台的姿态是用说明书中先前描述的方式确定的。

差分多普勒效应特征图可以由包含多个射频(RF)前端的用户接收机接收，也可以由包含单个射频(RF)前端的用户接收机接收，并且时分多址(TDMA)方案中，单个射频前端将被复用。在这里可以对多个射频(RF)前端进行分配，以便追踪来自空间移位键控接收(SSK-R)天线的唯一的多普勒效应特征图，由此从所发射的每一个特征图中接收全相关功率。由于具有更好的接收占空度，因此，这种同时使用一个以上的RF前端来接收多普勒效应特征图的处理会为每一个多普勒效应特征图提供更好的接收相关功率，但是它有可能改变不同射频(RF)前端之间的群延迟和线路偏置。作为选择，每一个特征图的接收处理可以通过单个射频(RF)前端分时进行，由此为来自空间移位键控接收(SSK-R)天线的每一个多普勒效应特征图分配唯一的接收时隙。在这个实施例中，空间移位键控接收(SSK-R)天线包含了切换装置，该装置连续在多普勒效应特征图之间进行切换。优选地，这种切换是在用户接收机载波追踪环路的积分周期内部完成的，由此同时更新了特征图之间的测量结果更新。由于占空度降低，因此，在时分多址(TDMA)方案中，对多普勒效应特征图进行多信道接收将会降低所接收的各个多普勒效应特征图的相关功率，但是排除了改变群延迟和线路偏置的可能性。

差分多普勒效应特征图还适用于以电子方式创建的多普勒效应特征图以及说明书中先前描述的空间锁定环路(SSL)方法。

使用差分多普勒效应特征图来缓解多径效应

差分多普勒效应特征图包括同时从不同位置发射并在不同位置接收的多个定位信号。因此，对于被配置成接收所发射的定位信号的用户接收机而言，该接收机会在给定时刻遭遇各个定位信号上的不同多径效应。在没有多径效应的环境中，由于发射天线到接收天线的距离实际是相同的，因此多个特征图的接收信号强度功率实际上也是相同的。通过在特征图周期中为每一个定位信号求取接收信号强度功率电平的平均值，可以确定各个定位信号所具有的牢固的特征图基准信号强度(SRSS)。对于接收信号强度功率电平降至特征图基准信号强度(SRSS)以下预定数量的定位信号而言，这些定位信号将被视为受到了多径效应的不良影响，其多普勒效应功率测量结果将被从天线同步控制装置的测量结果中排除，或者在将多普勒效应功率测量结果应用于天线同步控制装置之前对其进行校正。

对于被配置成接收多个多普勒效应特征图的空间移位键控接收(SSK-R)天线而言，当其在空间上与发射多个多普勒效应特征图的空间移位键控发射(SSK-T)天线相同步时，每一个发射/接收对的单个追踪值实际上是相同的。在第一天线进入多径衰落时，相关联的接收机追踪环路的多普勒效应值将会因为严重衰落而受损。然而，此时不在多径衰落之中的第二接收天线则具有精确的相关联的接收机追踪环路多普勒效应值。虽然自身的值受到破坏，但是第一接收机追踪环路可以使用上述精确的追踪环路多普勒效应值。一旦第一接收天线经过多径衰落，并且接收信号强度已经恢复，那么第一接收信道追踪环路将会恢复追踪环路控制。由此，本发明允许用用精确的追踪环路值来替代受多径效应畸变的追踪环路值，这样一来，在多径环境中可以实现更高的追踪性能。在实践中，这种方法提供了一种系统，其中可以借助该系统而在各个接收天线进入和离开多径衰落的时候在追踪环路之间交换追踪值。

此外，对于被视为是执行正确追踪的单个追踪环路而言，它所获取的多普勒效应值可以由用户接收机进行累加，以便产生所谓的合成积分载波相位(ICP)测量结果。这个合成积分载波相位(ICP)测量结果仅仅固有地累加了“良好的”多普勒效应值，而不会受到严重的多径效应的有害影响，由此与没有使用本发明的系统相比，它在多径环境中提供勒更为健壮的测距方法。

从单个空间移位键控发射(SSK-T)天线中确定姿态

对于被配置成接收差分多普勒效应特征图的用户接收机来说，该接收机可以使用所发射的至少一个差分多普勒效应特征图来确定姿态。使用第二多普勒效应特征图来对第一多普勒效应特征图进行差分的处理消除了用户移动的多普勒效应以及用户接收机的时钟漂移。因此，差分信号可以用于在没有可用精确时间的情况下确定天线空间同步。在差分多普勒效应定位信号上调制的时间戳足以确定微秒级别的时间，这个时间会在1Hz的旋转速率上产生大约千分之几的定向误差。此外，如说明书中先前所述，这种方法还可以应用于一对空间移位键控(SSK)和静态定位信号，并且可以应用于超前与滞后相减的追踪结构。这种对同时的超前和滞后追踪臂的多普勒效应功率值进行差分的处理消除了用户移动所产生的多普勒效应以及用户接收机的时钟漂移。

从多个空间移位键控发射(SSK-T)天线中确定姿态

在先前公开的发明实施例中，空间移位键控接收(SSK-R)天线可以从单个空间移位键控发射(SSK-T)天线中确定姿态。然而，在某些情况下，姿态确定可能因为多径效应以及恶劣的接收信号强度而降级。因此，本发明还公开了一种系统和方法，所述系统和方法通过将所接收的多普勒效应特征图与所发射的多个空间分布的相同多普勒效应特征图进行空间相关来确定接收机姿态。对多个空间分布的发射机来说，这些发射机都被配置成产生至少一个唯一的定位信号，并且该信号经由空间移位键控发射(SSK-T)天线发射。每一个空间移位键控发射(SSK-T)天线是用相同姿态以及相同的预定运动配置的，由此所有发射天线的相位中心都以一致方式运动。这种唯一的预定运动会在预定间隔上重复进行，由此在所发射的各个定位信号上感生出相同的预定多普勒效应特征图。接收机则被配置成通过空间移位键控接收(SSK-R)天线来接收所发射的经过多普勒效应变更的定位信号，其中该接收机与所有发射天线相位中心相同的预定运动方式来移动其相位中心，并且以与所有发射天线相位中心相同的预定间隔来重复移动。由此，空间移位键控接收(SSK-R)天线会经过多普勒效应修改的现有定位信号上感生出第二多普勒效应成分。接收机内部的天线同步控制装置则通过驱使接收定位信号的被测多普勒效应为零来连续调整空间移位键控接收(SSK-R)天线的预定运动，从而与空间移位键控发射(SSK-T)的多普勒效应特征图相匹配。一旦将接收到的多普勒效应减至最小，那么空间移位键控发射(SSK-T)天线与空间移位键控接收(SSK-R)天线会以一致的方式运动，并且会在空间上同步。这时则可以通过测量实现天线空间相关所需要的天线同步控制装置偏移来精确确定相对于空间移位键控发射(SSK-T)天线姿态的空间移位键控接收(SSK-R)天线姿态。

由于天线同步控制装置可以从多个相同的发射多普勒效应特征图中进行选择，因此，通过使用这种方法，可以显著减少因为多径效应所导致的姿态误差。由于所接收的某一个多普勒效应特征图可能遭遇到来自多径效应的不良影响，因此，天线同步控制装置可以使用其他那些不受多径效应不利影响的相同多普勒效应特征图。接收信号强度可以与特征图基准信号强度(SRSS)进行比较，以便确定特征图在何时是处于衰落之中的。由此，与不使用本发明的系统相比，本发明提供了一种对于多径效应不利影响具有健壮性的姿态确定装置。

快速的姿态更新速率

在先前公开的发明实施例中，空间移位键控(SSK)多普勒效应特征图重复周期受限于用户接收机中使用的载波追踪环路带宽。因此，在本发明的另一个实施例中公开勒一种以快速的更新速率来确定接收机姿态的系统和方法。这种系统和方法可以在不需要使用接收机载波追踪环路来执行多普勒效应特征图追踪的情况下工作。

对于被配置成产生经由空间移位键控发射(SSK-T)天线发射的定位信号的发射机来说，它会以快速的预定运动方式来移动其相位中心，优选地，这种特征图移动包含在半径是发射信号波长的1/4的体积中。这种预定运动将会以预定间隔重复进行，由此会在所发射的定位信号上感生出预先确定的高速率多普勒效应特征图。所发射的多普勒效应特征图会在一个慢于用户接收机相位测量周期的频率上调制，但是该频率比用户接收机的载波追踪环路更新速率快。

用户接收机被配置成经由空间移位键控接收(SSK-R)天线来接收经过多普勒效应修改的定位信号，该接收机以与空间移位键控发射(SSK-T)天线相同的预定运动方式移动，并在与空间移位键控发射(SSK-T)天线相同的预定间隔上重复移动。由此，这个空间移位键控接收(SSK-R)天线会在所发射的经过多普勒效应修改的已有定位信号上感生出第二高速率多普勒效应成分。用户接收机则被配置成对接收定位信号的载波相位测量结果进行测量，其中优选测量的是同相和正交(I和Q)测量结果，并且在每一个相关器积分周期进行一次测量，此外，用户接收机会在每一个特征图周期对载波追踪环路进行不到一次的更新。在这里会对在特征图周期上测量得到的相位值进行比较，并且计算特征图周期的多普勒效应功率值。然后，为特征图周期计算的多普勒效应功率将被用作测量结果，以便依照说明书中先前描述的方式来追踪空间移位键控接收(SSK-R)天线的姿态。在本领域中，同相和正交(I和Q)测量技术以及用户接收机相关器积分的技术都是众所周知的，它们并不是本发明的主题。

对示范性实施例来说，再次参考图4，该图描述了一个空间移位键控发射(SSK-T)天线402，它包括一个由采用圆形结构安装的发射天线元件403-1到403-8所组成的阵列。每一个天线元件会在一个1毫秒的周期中连续触发，由此相位中心每隔8微秒就会遍历该阵列。这样一来，相位中心的移动会以125Hz的频率而在发射定位信号上感生出多普勒效应特征图。用户接收机407则是用空间移位键控接收(SSK-R)天线408配置的，该天线包含了一个由接收天线元件409-1到409-8组成的阵列，并且这些接收天线元件是在与发射天线元件403-1到403-8具有相同半径的圆形结构安装的。在各个1毫秒的周期中，每一个天线元件409-1到409-8是连续触发的，由此相位中心每隔8毫秒就会遍历该阵列。这样一来，相位中心的移动会以125Hz的频率而在接收到的定位信号上感生另一个多普勒效应特征图。用户接收机载波追踪环路的积分周期则被设定成1毫秒，以便在每1毫秒产生相同和正交(I和Q)相位值。追踪环路被配置成在结束每一个多普勒效应特征图周期之后(每8毫秒)进行更新，由此载波追踪环路的数控振荡器(DCO)值在该特征图中实际是保持不变的。此外，在这里还会对照恒定的载波数控振荡器(DCO)的值来比较八个同相和正交(I和Q)值，其中这些值对应的是从空间移位键控接收(SSK-R)天线408中的各个接收天线元件409-1到409-8接收的相位。随后，这八个同相和正交(I和Q)相位值相互进行比较，以便推导出八个多普勒效应测量结果。这八个多普勒效应测量结果将会累加，以便为特征图周期计算合并的多普勒效应功率值。在数学上，这个处理可以用对八个多普勒效应测量结果所进行的下列计算中的任何一种来表示：(a)将平方值相加，(b)均方根(RMS)，(c)绝对值的平均值，(d)绝对值总和，或是任何类似的数学运算。然后，如说明书中先前所述，在特征图周期上确定的组合多普勒效应功率将被用于追踪空间移位键控接收(SSK-R)天线408的姿态。该处理会在各个特征图周期连续更新。

特征图周期的多普勒效应功率可以通过多种方式而被从测量得到的同相和正交(I和Q)相位值中计算出来。用于确定多普勒效应功率的最简单和耗费处理器最少的方法是对来自相邻接收天线元件对的相位测量结果进行差分，并且将其与切换时间相除，以便确定单独的多普勒效应测量结果。然后，通过合并这些单独的多普勒效应测量结果来确定特征图周期上的合成的多普勒效应功率。通过对相邻接收天线元件的同相和正交(I和Q)相位值进行差分，可以确定天线元件之间的相位变化。这些相位差表示的是已知时段(天线切换周期)上的距离变化，由此可以提供多普勒效应测量结果。优选地，在特征图周期上收集的单独测量的多普勒效应值将会转换成合成值，例如RMS多普勒效应功率值等等，其中在确定空间移位键控接收(SSK-R)天线姿态的过程中将会用到该合成值。

瞬时的同相和正交(I和Q)相位值本身就是存在噪声的测量结果。因此，在本发明的另一个实施例中，在被用于确定高精度的多普勒效应测量结果之前，来自每一个接收天线元件的同相和正交(I和Q)相位值会在多个特征图周期上连续积分。再次参考图4，在每个八微秒大小的特征图周期开端，其中将第一接收天线元件409-1激活了1毫秒。第一特征图周期的第一同相和正交(I和Q)采样与来自第二特征图周期的第一同相和正交(I和Q)采样相累积，来自第二特征图周期的第一同相和正交(I和Q)采样则与第三特征图周期的第一同相和正交(I和Q)采样相累积，依此类推。在这里为每一个接收天线元件409-1到409-8执行这种累积，由此在预定数量的特征图周期末端可以为精确的多普勒效应确定提供改善的低噪声同相和正交(I和Q)相位值。如果用户接收机407中的载波追踪环路的数控振荡器(DCO)是在各个特征图周期之后更新的，那么在与来自先前特征图周期的同相和正交(I和Q)值累积之前，有必要将校正值应用于每一个同相和正交(I和Q)值。这个校正值顾及了由特征图周期之间的数控振荡器(DCO)的变化频率所引起的相位变化。此外，在这里还有必要顾及相干积分周期中出现的任何数据比特。

在本发明的另一个替换实施例中，在相邻天线元件之间测得的相位差会在多个特征图周期上相干积分，由此数控振荡器(DCO)的频率变化或是数据比特变化不会对所累积的测量结果产生不利影响。再次参考图4，其中将第一接收天线元件409-1激活了1毫秒，并且将第二同相和正交(I和Q)相位值保存在存储器中。随后，第二接收天线元件409-2将被激活1毫秒，并且第二同相和正交(I和Q)相位值将会保存在存储器中。所存储的第一同相和正交(I和Q)相位值以及所存储的第二同相和正交(I和Q)相位值将会进行差分，以便确定第一和第二天线元件409-1与409-2之间的相位变化。这个差分测量结果同样保存在存储器中，并且与来自这两个天线元件401-1、409-2的后续特征图周期的差分测量结果相累积。此外，这个过程还应用于阵列中的所有其他相邻元件。例如，第二天线元件409-2与第三天线元件409-3进行差分，第三天线元件409-3与第四天线元件409-4进行差分，依此类推。通过累积差分测量结果，可以不必因为数控振荡器(DCO)的频率变化和数据比特相位变化而对所累积的同相和正交(I和Q)相位值进行校正。然而，非常优选的是对数控振荡器(DCO)的各个频率更新点以及各个数据比特变换上的边界条件加以考虑。

上文所述的快速多普勒效应特征图方法还为用户提供了根据用户环境来动态指定姿态更新速率的能力。举例来说，如果用户需要快速的姿态更新并且能够容忍较低的测量精度，则可以将用户接收机407配置成提供单个特征图姿态更新。如果用户需要更高精度的姿态并且可以容忍较慢的姿态更新速率，则可以将用户接收机407配置成在多个特征图周期上提供姿态更新。

由此，本发明公开了一种方法，其中并未借助常规的载波追踪环路技术来追踪和约束空间移位键控(SSK)特征图，与此相反，空间移位键控(SSK)特征图是从用户接收机在各个多普勒效应特征图周期上测量的瞬时相位值中推导得到的。

使用了多普勒效应特征图模式识别的姿态确定

在本发明的另一个实施例中，如先前所述，其中将天线同步控制装置替换为模式识别算法，以便确定姿态。多普勒效应特征图是由空间移位键控发射(SSK-T)天线产生和发射的，接收机则是用先前所述的空间移位键控接收(SSK-R)天线配置的。空间移位键控接收(SSK-R)天线产生具有固定方位的预定多普勒效应特征图。也就是说，空间移位键控接收(SSK-R)天线的相位中心会在各个时期的顶端经过其主轴，并且不会尝试与所发射的多普勒效应特征图进行空间相关。空间移位键控接收(SSK-R)天线的不同方位会在特征图周期上产生不同的多普勒效应图案。这些多普勒效应图案将会与关联于特定空间移位键控接收(SSK-R)天线方位的预定多普勒效应图案进行比较，并且与之相匹配。优选地，这些预定的多普勒效应图案保存在用户接收机的存储器中，由此，方位是直接从所辨别的多普勒效应图案中确定的。用户移动产生的多普勒效应可以用说明书中先前描述的某一种技术来清除。因此，本发明公开了使用空间移位键控(SSK)调制信号的模式识别来确定姿态的处理。

三维多普勒效应特征图

本发明还公开了一种使用三维的多普勒效应特征图来产生三维姿态确定的系统和方法。三维多普勒效应特征图是用空间移位键控发射(SSK-T)天线产生的，其中该天线在三维空间中移动其辐射装置。在空间移位键控发射(SSK-T)天线中，通过将天线元件散布在球形或四面体形的三维形状中，并且随后在元件之间进行切换，以便产生三维的多普勒效应特征图，可以获取三维移动。在优选实施例中使用了四个天线元件来产生三维的多普勒效应特征图，然而，使用任意数量的天线元件来产生三维多普勒效应特征图的处理均落入本发明的广义范畴和范围以内。

相位中心平移

如说明书先前所述，通过将天线元件空间分布在预定配置中并且通过连续切换元件来创建合成的相位中心移动，可以实现天线相位中心的电子方式的运动。然而，这种方法的分辨率受限于可用天线元件的数量，此外，使用附加天线元件还会导致更高的复杂性和成本。另外，在天线元件分离度减小的时候，增大的互耦合有可能导致性能下降，这一点同样是非常重要的。

本发明公开了一种能在不需要大量天线元件的情况下产生高分辨率的合成相位中心移动的方法和设备。多个天线元件在空间上是分布在彼此的四分之一波长内部的，这些天线元件各自连接到单独的可变增益部分，例如射频(RF)数字衰减器。微处理器之类的控制装置则被配置成对来自每一个可变增益装置的增益电平进行控制，以便单独修改各个天线元件的增益。通过改变天线阵列中的天线元件的增益分布，可以移动阵列的相位中心。因此，当在天线元件之间重新分配增益时，阵列的相位中心将会移动，并且会在信号上感生出合成的多普勒效应。相位中心移动的分辨率是由可变增益部分的分辨率确定的，并且不会受限于天线元件的物理移置的需求。

由此，本发明公开了一种能够使用最少的天线元件来创建高分辨率的合成相位中心移动的方法和设备。这种技术称为相位中心“平移”。相位中心平移是互相作用的：也就是说，如果改变发射阵列或接收阵列中的天线元件之间的增益分布，则会在信号上感生出相同的合成多普勒效应。如果以连续的预定方式改变天线元件之间的增益分布，则可以产生连续的预定相位中心移动，这种移动将会作为周期性多普勒效应偏移而被观察载波相位的用户接收机所测得。由此，这种技术可以用于本发明的空间移位键控(SSK)调制系统和方法。

现在参考图9，该图描述的是以电子方式平移相位中心的阵列，其中该阵列包括两个相同长度的空间分布的天线元件901、902，它们是相隔广播信号频率的四分之一波长。每一个被驱动的天线元件901、902都是用数字衰减器或是可变增益放大器之类的可变增益装置904和905配置的。每一个可变增益装置904、905则是用微处理器之类的控制装置906配置的，由此可以允许单个可变增益装置904、905的增益调整以及单个天线元件901、902的后续增益调整。每一个天线元件901、902经由其相应的可变增益装置904、905连接到公共传输源907。而从传输源907到被驱动的第一天线元件901之间以及从传输源907到被驱动的第二天线元件902之间的传输线则具有相等的长度，由此可以在这两个传输电路内部保持相位关系。当微处理器906向数字衰减器904、905发布相同的增益命令时，天线元件901、902都会从公共传输源907发射相等的能量。在忽略了天线元件之间的互耦合的情况下，对构成平移相位中心的阵列的被驱动元件901、902来说，其辐射图案将会是椭圆形，其中端射功率会因为这些方向上的90度的信号相位抵消而减少大约3dB。来自天线元件901、902的相等辐射会使处于天线阵列中间908的相位中心介于两个元件901、902的接收信号强度功率之间。当接收信号强度功率控制装置906向第一数字衰减器904发布最大增益命令并且向第二数字衰减器905发布最小增益命令时，第一天线元件901将会发射最大能量，第二天线元件902则发射最小能量。现在，天线阵列的相位中心909实际处于第一天线位置901，由此它是以全向图案辐射的。相反，当控制装置906向第二数字衰减器905发布最大增益命令并且向第一数字衰减器904发布最小增益命令时，第二天线元件902将会发射最大能量，第一天线元件901则发射最小能量。现在，天线阵列的相位中心910实际处于第二天线位置902，由此它是以全向方式进行发射。因此，在以递增方式将增益相反地应用于天线元件时，阵列的有效相位中心会在元件之间“移动”或“平移”。例如，当控制装置向第一数字衰减器904发布1/4衰减命令并且向第二数字衰减器905发布3/4衰减命令时，笫一天线元件901将会发射3/4的最大能量，第二天线元件902则会发射1/4的最大能量。现在，天线阵列911的相位中心介于天线元件之间并且与第一天线位置901的距离是1/16的广播频率波长，由此它实际是以全向图案发射的。这样一来，在1/4波长分布的天线元件之间相反施加的递增增益会在天线元件之间提供基本上线性的相位中心移动，由此提供了本发明中以电子方式平移相位中心的阵列的基础。

在以电子方式平移相位中心的阵列的优选实施例中，天线元件处于四面体之类的三维形状中，由此可以产生三维的空间移位键控(SSK)调制。以电子方式平移相位中心的阵列排除了只能产生固定多普勒效应图案的固定天线元件所施加的束缚。由此，本发明的优选实施例允许任意的三维几何形状作为空间移位键控(SSK)特征图而被产生。

现在参考图10，该图描述的是三维平移的空间移位键控发射(SSK-T)天线1001，其中包括空间分布在彼此的四分之一波长内并以四面体的形状放置的四个发射天线元件1002、1003、1004、1005。每一个发射天线元件1002、1003、1004、1005被配置成使用全向增益图案来进行发射。对示范性实施例来说，以正交方式馈电的交叉偶极天线元件将会产生实际全向的增益图案。每一个发射天线元件1002、1003、1004、1005都与可变增益装置相连，其中举例来说，该装置可以是与公共传输源1010相连的数字衰减器1006、1007、1008，1009。每一个可变增益装置1006、1007、1008、1009还与微处理器1011之类的控制装置相连，由此可以单独调整每一个发射天线元件1002、1003、1004、1005的增益。当控制装置1011通过调整可变增益装置1006、1007、1008、1009而在天线元件1002、1003、1004、1005之间重新分配来自传输源的能量时，阵列的相位中心将会位移，并且在所发射的信号1013上将会感生出合成的三维多普勒效应特征图1012。在天线元件1002、1003、1004、1005的位置所描述的四面体内部，这个三维相位中心移动可以配置成任何图案。由此，无限数量的空间移位键控(SSK)特征图都是可以实现的。对示范性实施例来说，控制装置1011可以被配置成在x、y、z这三个轴上产生多普勒效应特征图。然而，天线相位中心移动的任何其他图案同样落入本发明的广义范畴和范围之内。

在这里还描述了三维平移的空间移位键控接收(SSK-R)天线1014，其中包括空间分布在彼此的四分之一波长内并以四面体形状放置的四个接收天线元件1015、1016、1017、1018。每一个天线元件、1016、1017、1018被配置成使用全向增益图案来进行发射。每一个接收天线元件1015、1016、1017、1018连接到可变增益装置，例如数字衰减器1019、1020、1021、1022，这些数字衰减器则与用户接收机1023相连。每一个可变增益装置1019、1020、1021、1022还连接到微处理器1024之类的控制装置，由此可以单独调整每一个接收天线元件1015、1016、1017、1018的增益。当控制装置1024通过调整可变增益装置1019、1020、1021、1022而在接收天线元件之间重新分配来自传输信号1013的能量时，阵列的相位中心将会位移，并且会在接收信号上感生出合成的三维多普勒效应特征图1025。控制装置1024被配置成对所发射的多普勒效应特征图1012的三维相位中心活动进行复制，随后则驱使所接收的多普勒效应为最小。对示范性实例来说，控制装置1024被配置成产生相位中心移动，其中所述运动属于三个互相垂直的平面上的圆周运动，由此将会以一种与所发射的多普勒效应特征图1012相同的方式在三个轴x、y、z上产生多普勒效应特征图1025。为每一个轴测量多普勒效应功率，并且使用说明书中先前描述的方法来确定三维姿态。

在本发明的另一个实施例中，其中可以对平移的空间移位键控(SSK)发射和接收阵列进行配置，使之具有大于四分之一波长的总尺寸。此外还可以对天线元件控制装置进行配置，以使相位中心的平移只在天线元件之间进行，其中所述天线元件在空间上分布在彼此的四分之一波长内。空间分布超出四分之一波长的天线元件将被从平移处理中排除。对示范性实施例来说，天线元件是以圆形的结构放置的，并且在连续的天线元件之间间隔四分之一波长。通过在连续的天线元件对之间平移，可以实现高分辨率的空间调制。

唯一的定位信号

在本发明的优选实施例中，每一个发射机都会发射唯一的定位信号，该信号包含了载波成分、伪随机码成分以及导航数据成分。优选地，载波成分是在2.4GHz的ISM波段上发射的正弦射频波，但是本发明的方法也同样适用于其他频段。伪随机数(PRN)编码成分则是在载波成分上调制的，并且包含了唯一的编码序列，其中该序列是可以与其他设备在相同载频上发射的其他伪随机码序列相区别的。这种技术即为通常所说的码分多址(CDMA)，它在本领域中是众所周知的。导航数据成分是在伪随机码成分上调制的专有信息，它提供了通信链路，以便将时间和其他发射机或网络专用信息提供给用户接收机。所述导航信息可以包括时间和其他预期网络数据。

毫无疑问，应该理解的是，虽然上述内容是通过本发明的示范性实例给出的，但是，对本领域技术人员而言显而易见的是，对它的所有这些及其它修改和变化都应视为是落在这里阐述的本发明的广义范围和界限之内的。