精確地理定位的方法和裝置的製作方法
2023-07-20 04:20:16
專利名稱：精確地理定位的方法和裝置的製作方法
發明的領域本發明一般涉及進行地理定位的方法和系統，並且更具體地涉及通過非靜止地球軌道衛星進行全球地理定位的方法和系統。
發明的背景定位並跟蹤人和設備的能力具有眾多的法律實施，商業和消費應用。通過開發能夠滿足所有這些應用的多種需求的基本技術，可以獲得低單位成本高容量的產品，比如，提供一種大幅度降低軍警工作的成本並提高效力的買得起的守備技術。
例如，一種應用包括監視假釋犯。加利福尼亞有近100,000名州政府希望跟蹤的假釋犯(州級-不包括緩刑犯)。1995年10月12日，加利福尼亞政府通過了第1804號議會法案，要求連續電子監視並報告假釋犯，緩刑犯和囚犯的位置。該通過的法案要求每5分鐘或更短的時間更新位置。由於要求是身體佩帶的裝置，所以嚴重地限制了工作頻率的選擇。每年$21000的監禁成本，估計一年用於監視的$4000是很有吸引力的。
另一個例子是個人援助。在今天，還沒有簡單，可靠的方法確定需要援助的人的位置。Captain Scott O-Grady的例子說明了這樣一個事實，即墜落的飛行員不願發送(信號)，因為害怕信號被截獲並且危及到他的位置。一些建議，如Combat Survivor和Evader/LocatorProgram，要求GPS發出的坐標是加密的，然後通過安全的鏈路發送。這種方法要求提供GPS接收機所需的體積，成本和動力，以及隨之而來的加密設備。
另外，人的跟蹤必須在建築物內，建築物外，廣闊區域上，使用低成本通信鏈路和長壽命電池來進行。而全球定位系統(GPS)由於NAVSTAR系統的全球特性，可以很好地適用於戶外和廣闊區域上的導航和定位，卻由於GPS信號不能穿透建築物而不能滿足戶內的要求。
此外，許多現有技術的導航系統，如全球定位系統(GPS)，GLONASS,LORAN,OMEGA,TACAN，等等是眾所周知。利用這些現有導航系統，將導航單元與發射機結合在一起中繼位置報告的同時，這些發射機將會很大程度地增加移動單元的成本，複雜度，體積，重量和功耗。同時，這也將使得(移動)單元不便於個人操作。另外，上面提到的現有技術系統更多地用於戶外軍用交通工具(艦艇，坦克，飛機)導航功能，而不是戶內以及個人地理定位功能。
另外，現有技術系統在進行它們的地理定位功能時，使用兩個或更多的相距很遠的發射機和/或接收機平臺。基於衛星的現有技術系統的的情況下，至少要有3顆，優選地是4顆衛星同時位於地理定位接收機的視域之內以得到位置解。最後，使用現有技術基於衛星的系統不能穿透建築結構，厚植被，或被遮蔽的地區。
因此，本發明面向這些問題，開發不要求大的行動裝置或多顆衛星，並且能夠工作在戶內和多種環境下的，進行增強的全球地理定位的方法和裝置。
發明的概述本發明通過確定表示固定參考站的已知位置和測量位置之差的誤差矢量，並且將這個誤差矢量用於被測量的移動單元的位置，來解決這個問題。通過這樣做，本發明只依靠單一衛星，並且不需要基於GPS的接收機/發射機，保證了小體積和小功率，並且可以工作在能夠穿透各種環境的頻率下，同時提供精確的位置測量。
根據本發明，定位移動單元的方法包括確定參考單元的位置，計算表示實際已知位置和測量的位置之差的誤差矢量，使用與測量參考單元位置相同的技術估計移動單元的位置，並且將誤差矢量用於移動單元的位置估計，以確定移動單元的最後位置。
根據本發明的一個有利實施例，為了確定參考單元的位置並且估計移動單元的位置，本發明測量從地面單元發送到衛星的信號中的都卜勒頻移，從而獲得地面單元可能所處的地球表面的第一位置曲線，使用從地面單元發送到衛星的信號的到達時間確定地面單元可能所處的地球表面的第二位置曲線，並且確定第一位置曲線和第二位置曲線的交叉點，該交叉點定義了地面單元的位置估計。
根據本發明，基於從低地軌道衛星--該衛星位於已知的地球軌道發射的信號，高精度確定移動單元位置，移動單元可以有選擇地在地理區域上移動--的系統，包括命令中心，將地理定位信息以及其它數據從命令中心發射到移動單元的發射機，接收從移動單元通過低地軌道衛星到命令中心的都卜勒頻移，到達時間和到達角度數據以及其它數據的接收機，和位於命令中心的測量/地理定位業務處理器。這樣，處理器確定多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，多個地理定位參數的到達時間分量，多個地理定位參數的到達角度分量，以及在移動單元和低地軌道衛星之間傳播的移動單元發射機信號的近似位置。命令中心包括接收有關多個固定參考站的差分數據和移動單元的近似位置的接收機。處理器基於移動單元的近似位置和多個固定參考站的已知位置，在該多個固定參考站中確定一個當前與移動單元位於同一個衛星的視域中的固定參考站，並且結合移動單元的近似位置和來自所確定的一個差分站的差分數據，提供移動單元的精確位置。這樣，命令中心中的處理器，使用差分技術和位置以及通過陸地無線傳輸系統或Internet數據傳輸網絡傳送的其它數據計算精確位置。
附圖的簡要描述
圖1圖示說明在本發明中使用的LEO衛星星座圖的LEO衛星全球覆蓋。
圖2圖示說明在本發明中使用的衛星星座圖的LEO衛星波束覆蓋區。
圖3表示本發明的地理定位系統。
圖4表示本發明的移動收發機單元。
圖5圖示說明在本發明中使用的距離測量技術。
圖6圖示說明在本發明中使用的都卜勒測量技術。
圖7表示本發明的綜合距離和都卜勒測量。
圖8圖示說明本發明的移動單元定位算法。
圖9表示本發明的糾錯矢量方法。
圖10表示差分都卜勒基站的典型放置地圖。
詳細描述描述了提供改進的基於衛星的跟蹤系統的方法和裝置。該方法使用位置確知的參考發射機提供糾錯矢量，該矢量可以用來改善未知位置發射機的位置估計。
確定地面發射機位置的技術稱為地理定位。為了地理定位，要通過衛星地面站和地球軌道上的衛星轉發器查詢發射機/接收機(收發機)。一旦接收到衛星廣播的收發機唯一標識碼，收發機將通過衛星轉發器將它的標識碼發回衛星地面站。環路響應時間用於計算衛星到收發機的距離。衛星在非靜止軌道上運動造成的接收信號都卜勒頻移用於計算信號到衛星的到達角。距離和到達角結合在一起計算收發機的位置估計。這個地理定位過程對一個已知參考站點和所有未知站點的移動和/或固定收發機重複。對參考收發機產生的位置估計和一個預先已知的參考收發機位置進行比較。估計位置和參考端的已知位置之差產生誤差矢量。這個誤差矢量用於對所有預先未知位置收發機的位置估計，提高對那些收發機位置估計的精度。
為了滿足對軍警力量和假釋犯移動的跟蹤，本發明包括一個可以通過低地軌道(LEO)衛星跟蹤的腕錶大小的發射機和接收機。本發明依靠一顆衛星進行地理定位而不是移動單元--一個實施例是腕戴手錶發射機和接收機，因而消除了以前系統所需的體積，成本和功耗。移動單元的另一個實施例包括車載發射機/接收機。在飛行器中的應用，本發明跟隨人而不是墜落的飛行器，以便在援助中幫助墜落的飛行員。最後，移動單元被設計為在人員不省人事時也可以被查詢，因此對人員位置的確定獨立於人員的狀態。
根據本發明的細節，發射機可以製造成低功率，即小於1瓦。此外，系統的結構使得電池壽命是大約30天。
本發明使用的衛星系統獨立於全球定位系統(GPS)來確定位置，並且提供軍用定位能力，以及在不廣播位置坐標集的情況下向命令中心報告位置的裝置。為了避免他人監測廣播，本發明使用安全的擴頻通信。
本發明廉價地定位以前標記了的丟失人或物。一旦一個用戶失去行為能力或在秘密任務中受傷或其它情況需要被跟蹤，衛星就會查詢本發明的移動單元來確定用戶的位置。這並不要求用戶的動作。衛星和用戶的移動單元的通信是使用固有的安全擴頻通信，因而避免了偷聽者收聽。由於沒有廣播位置(信息)，因而沒有什麼可收聽的。位置確定是在衛星地面站進行的，然後通知救援者或為跟蹤應用提供監視。
以下所發生的事件鏈用於接收到請求後定位用戶。首先，用戶用一個請求呼叫本發明的系統。隨後，地面站通知衛星廣播收發信機的標識碼。移動單元接收到這個廣播並發送一個響應。衛星將移動單元的信號重發送回地面站，然後地面站計算位置。
到收發信機的下行鏈路在S波段(2500MHz)中，而來自收發信機的上行鏈路在L波段(1600MHz)中。這些頻率允許使用非常小的天線。
本發明中使用了碼分多址(CDMA)直接序列擴頻方案以允許同時存在多個分離的發射機。這對低廉地服務大量消費者市場並且提供安全通信是很重要的。
本發明使用60和70年代U.S.Navy Transit Navigation SatelliteSystem開發的都卜勒地理定位技術。這個系統被NAVSTAR/GPS衛星替代用於導航。本發明使用都卜勒技術是因為它簡單並且廉價，同時可以提供滿意的位置精度。為了提高該技術的精度，本發明添加了差分都卜勒技術，這將在下面討論。
都卜勒技術依靠衛星和移動單元之間的頻移。由於衛星沿地球軌道運動，可以檢測到所接收的來自地面發射機信號的頻移。由於衛星和發射機之間的相對速度產生的都卜勒頻移代表為發射機必須位於的一個錐面。假設發射機位於地球表面，這就排除了錐面上的大多數可能點。結果一次都卜勒測量就確定了一條位置線，這就是錐面和地球的交線。
很短的時間間隔之後(例如，1分鐘)，進行第二次都卜勒測量，確定第二條位置線。這兩條所產生的位置線的交點就代表移動單元的位置估計。因為大多數情況下移動單元的移動不是很快，這就足夠定位移動單元。
另外，本發明使用偽距離修正技術確定移動單元的位置。
通過結合上述都卜勒技術和距離修正技術，本發明只使用一顆衛星就能夠提供瞬時定位。都卜勒定位已經被NAVSTAR GPS所替代，因為它不能跟蹤高速移動的物體，如飛行器。對於本發明，如定位個人，通常人不會高速移動，因此結合都卜勒和偽距離修正技術將有效地工作。
為了進一步提高精度，本發明使用差分都卜勒技術，依靠提供兩個固定位置收發信機進行上述方案的運作。第二個收發信機位於固定的已知參考位置。當衛星飛過工作區域，未知收發信機和參考收發信機都會被查詢。參考標記的都卜勒測量提供一個糾錯矢量用於未知標記的位置估計。使用這種差分都卜勒方案，估計位置的不確定性可以從1000米減小到30米。
只需要使用很少的參考收發信機就可以服務廣大的區域。由於糾錯矢量的精度會由於兩個信號分離的路徑而降低，這兩條路徑必須通過電離層大致相同的部分以滿足技術的精度。幸運的是，衛星上很小的角度差就可以在地球表面產生很大的空間差異。因此，一個固定的參考收發信機可以滿足幾百英裡半徑內的精確定位。上述方案提供定位精度將在100米之內的。
本發明最小化移動單元收發機的工作要求，因此使腕錶大小的單元成為可能。這種可能性是由於衛星進行地理定位而不是將這些要求(加上GPS)強加到移動單元。
本發明中使用的衛星是低地或中地軌道衛星，這樣可以獲得較高的仰角。另外，只需要較小的發射機功率而且全向天線不需要跟蹤天線。
基於低地軌道衛星的數字電信系統的一個例子是Globalstar。它提供電話和其它數字電信業務，如數字傳輸，尋呼和傳真。Globalstar業務將通過高度1419公裡的48衛星星座圖提供。Globalstar將在1997年後半年發射衛星，並將在1998年開始最初的商業運行。在美國，Globalstar授權使用擴頻通信工作在L和S波段。Odyssey本質上與Globalstar一樣，除了衛星處於更高的高度。該系統計劃在2000啟動。
圖1表示低地軌道衛星的全球覆蓋，和單一衛星的覆蓋區200。本發明中使用的衛星是一系列繞地球軌道運行的低地軌道衛星中的一顆。為了將衛星彼此區分，每個衛星被分配了一個唯一的標識號。衛星的放置滿足地球上的每一點都至少位於一顆衛星的覆蓋區域中。在適當的緯度，每一點可以看到多顆衛星。星座圖中的每顆衛星可以覆蓋地球表面大陸大小的一部分，如圖2所示，其中給出了低地軌道衛星波束覆蓋區200和與之相關的點波束202。
系統綜述圖3表示的是本發明用於地理定位功能的系統。如圖3中所示，系統300包括一個衛星地面站302，一個低地軌道衛星304，一個參考收發機單元306和一個移動收發機單元310。兩個收發機306,310是相同的，除了參考收發機306被放置在已知的位置上，而移動收發機310可以移動到地球上的任意點。本發明的系統允許這些組成中的每個具有一個或多個，例如，地面站302，參考單元306和移動單元310。同樣位於地面上的衛星地面站網關302，通過RF通信信道308與視域中的低地軌道衛星304進行數據通信。
根據本發明，不限制移動單元310的數量。因此，移動單元310的數量可以是幾百萬。移動單元310是便攜的，電池供電的，相對低功率的，並且包括相對小的天線。根據本發明，地理定位系統可以定位地球表面或靠近地球表面任何位置的移動單元310。本發明的移動單元310在適當的政府機構所分配的頻率上與衛星304通信。這些頻率在不同的國家可能是不同的，但是，這些頻率對於本領域的技術人員是眾所周知的，因此在這裡不必提供它們的細節。
圖2表示衛星點波束202在地球表面形成的LEO衛星覆蓋區200。每個點波束204-232都是由一個衛星沿著衛星覆蓋區200移動形成的。圖1表示整個衛星星座圖的全球覆蓋。
衛星覆蓋區200中的每個點波束204-232都佔有衛星覆蓋區200中的唯一位置，因此這些位置可以通過為每個點波束204-232分配一個唯一標識碼來彼此區分。因此，可以通過確定移動單元位於哪個點波束來初步定位特定的移動單元。這個信息定義了相對衛星的位置，它的位置通常可以通過對已知軌道運動計算來獲得並跟蹤。如業界所知，通過結合衛星覆蓋區200中的點波束位置204-232以及衛星的位置，可以在大範圍內確定移動單元在地球上的位置。
另外，根據本發明，通過唯一點波束204-232確定的位置信息可以用在如差分都卜勒這樣的地理定位測量中進行模糊分辨，其中有兩個確定的位置，一個實位置和一個虛位置，即數學預測兩部分(一個實和一個虛位置)，只有一個實的，另一個表示為虛位置。唯一的點波束信息可以用來選擇實位置。
移動收發機單元圖4表示移動單元310的框圖。移動單元310包括接收天線402，接收機404，數位訊號處理器406，參考晶體408，本地振蕩器410，發射機412，電源/電池414和發射天線416。接收機404通過接收天線402接收來自低地軌道衛星的信號，接收機404將這些信號送到數位訊號處理器406，數位訊號處理器將接收的電磁能量轉換為數據並且進行所有數據解調和處理。數位訊號處理器406還完成移動單元310的所有控制和狀態功能，並且控制所有接收參數，如頻率，定時，都卜勒跟蹤等等。數位訊號處理器406還連接到發射機412，並且將數據轉換為電磁能量而且完成所有調製，用於通過發射天線416將信號發射到低地軌道衛星。數位訊號處理器406還控制所有發射參數，如頻率，定時等。本地振蕩器410在非常穩定的參考晶體408的控制下，提供接收和發射數據所需的基本頻率。
到達時間的計算參考圖5，距離球面501代表發射機310的信號到達衛星304的時間。由於電磁信號以等於光速的恆定速度傳播，所以給出的傳播持續時間就意味著信號源一定位於半徑等於傳播持續時間乘以光速，中心位於接收信號點的球面上。在本發明中，電磁信號源可以是位於地球表面503的移動單元310，而信號可以在繞地球軌道運行的衛星304上接收。因此，到達時間圓表示中心是衛星304，半徑等於光速乘以傳播持續時間的球面和地球表面的交線。這在圖5中示出，其中到達時間圓501確定衛星304和移動單元310之間的距離。
一般情況下，空間點坐標可以通過最小化那個點與三個已知點的三次距離測量來確定。每次距離測量都描述了一個圍繞已知點的半球面(或不失一般性，一個完整的球面)。當只進行一次測量時，移動單元310可以位於半徑等於距離502並且衛星位於半球501(或球)中心的半球面501(或球面)上的任意位置。當對兩個已知點進行距離測量時，移動單元可以位於兩個半球(或球)的交線509上的任意位置，而當對三個非共面已知點進行距離測量時，三個半球(或球)相交的唯一點即對應著移動單元310的位置。這提供了帶有三個未知數的三個方程。如果地球也作為一個球，那麼只要進行兩次測量，移動單元的位置就位於地球表面和兩個距離測量半球(或球)的交點。這在圖5中示出。給定傳播持續時間和地球表面的交線是一個中心位於星地軌道上的圓，衛星最低點方向與地球表面相交。較長的傳播持續時間所得到的圓具有較大的半徑。所確定的到達時間曲線表示的圓描述了測量記錄中指示的傳播持續時間。
實際上，圖5表示了兩次獨立的距離測量，可以用來獲得移動單元310的位置的估計，然而，在本發明的地理定位方法中，只需要一次距離測量。距離半球510與地球表面503相交產生位置弧線505,507。地面上的發射機310必須位於這個位置弧線505,507上以便產生在衛星上測量的到達時間。在兩次距離測量的情況下，兩條位置弧線505，507的交點509就表示測量的位置。
根據本發明，衛星處的信號到達時間是通過從衛星地面站302發送信號，通過衛星轉發器304，到發射機310，指示發射機310應答一個確認(一次查詢)來測量的。所測量的總時延包括從地面站302到衛星304的傳輸時間，轉發器時延，和從衛星304到地面上的收發機310的傳輸時間。因為衛星304和地面站302的位置都是已知的，因而可以消除從地面站302到衛星304的傳輸時間。同樣，轉發器時延也可以通過距離修正校準測量獲得。因此在衛星304處的信號到達時間是可以確定的。
使用都卜勒頻移計算到達角圖6表示根據本發明使用一個衛星304的地理定位過程的一部分。本發明的地理定位系統在接收到涉及移動單元310的測量記錄時激活有關特定移動單元310的地理定位過程。地理定位過程確定滿足測量記錄中包含的都卜勒分量數據的到達頻率拋物線。這個到達頻率拋物線或位置線616在圖6中表示。由於衛星304繞地球軌道運行並且移動單元310位於地球表面503，所以衛星304相對移動單元310的運動方向是連續變化的。因為這個方向連續變化，而衛星的軌道速度保持相對恆定，所以衛星相對於移動單元310的徑向速度分量連續變化。在任何瞬時，衛星304具有特定的速度或距離速率矢量614。作為連續速度變化的結果，相對地球表面上的固定移動單元310的都卜勒分量連續變化。信號的都卜勒頻移表現為一個以衛星速度矢量614為中心，與速度矢量614的夾角和都卜勒頻移成比例的錐面610。從以衛星速度矢量614為中心的錐面610上的任何一點都可以報告一個給定的都卜勒分量。
在進行都卜勒測量時，移動單元310的位置必須位於都卜勒錐面610上的某個位置。如果假設移動單元310位於地球的球狀表面上，移動單元310將會位於都卜勒錐面614和地球503的交線上的某個位置。這條交線(已知為位置線616)典型地是一條拋物線。以衛星304的地面軌道為中心並從衛星304延伸的拋物線上的任意點都可以報告一個給定的都卜勒分量。較高的都卜勒速率導致較窄的拋物線，而當零都卜勒效應時--這發生在衛星304位於頭頂正上方--都卜勒曲線具有無限的寬度並且本質上是一條垂直星地軌道的直線。到達頻率曲線表示描述測量記錄中所指示的都卜勒分量的曲線。如果第二都卜勒測量在隨後的某個時間點進行(圖6B)，就將確定第二條位置拋物線616b。兩次都卜勒測量的兩條位置線616a和616b的交點618將確定移動單元310在地球表面上的位置。在這裡指出了兩次都卜勒測量，其中只有一次是本發明的地理定位過程所必須的。
都卜勒錐面610是通過測量接收信號的都卜勒頻移產生的。在轉發器的實施中，在衛星304和地面站302之間的傳輸中有一個已知的第二都卜勒頻移。由於衛星304的位置和速度是已知的，這個第二都卜勒頻移可以除去以計算衛星304接收的信號的都卜勒頻移。
都卜勒和距離聯合測量參考圖7，它表示了距離和都卜勒聯合測量，都卜勒錐面610和距離測量的位置圓周705相交產生兩個位置估計點701,703。而真實位置可以通過許多種方法解出，這將在下面描述。
移動單元310的位置可以只通過一次都卜勒和距離聯合測量確定。假設收發機單元310位於地球表面503上，都卜勒錐面610和距離球面501將相交於地球表面上兩個可能的收發機單元位置701,703。到達頻率曲線和到達時間圓周相交得到了位置確定問題的兩個位置解。一個將是真實位置，而另一個將是虛位置。對於給定的衛星通道和移動單元和衛星之間的幾何關係，這兩個位置將處於與星地軌道垂直的同一條直線上，並且距離速率(即都卜勒頻移)在最近時間點將是零。這兩個點中的一個位於地面軌道的右側，而另一個位於地面軌道的左側。地面軌道代表都卜勒效應的對稱軸，由於地球自轉，它與真實的星地軌道有一個偏移量。在不考慮地球自轉的情況下，這兩個位置是不可區分的。然而，地球自轉將改變都卜勒特性，產生分辨的不確定性。如果有兩個或更多的衛星傳送數據，這種不確定性可以簡單地通過幾何考慮解決。如前所述，位置的不確定性也可以通過已知衛星ID號和移動單元310位于波束覆蓋小區ID號204-232中的哪一個來解決。在測量中，使用小區ID位置參數可以解決不確定性。
參考圖2，圖中示出了一個低地軌道衛星波束覆蓋200和多個點波束202。當進行位置測量時，點波束202與位置的距離和都卜勒線相交在大多數情況下將產生唯一的位置解。因此，可以將真實位置從錯誤的位置估計中區分出來。解兩個位置解的其它技術可以從簡單考慮上次報告的位置的方法，到更複雜的方法，如在位置解中考慮地球自轉運動的影響。後一種技術當前用於搜索和救援衛星系統(SARSAT)，以及Argos環境研究衛星跟蹤系統。
地理定位方法現在翻到圖8，它描述了本發明的方法800。本發明的方法包括四個主要部分。首先，通過兩次測量確定參考收發機的位置(1)通過收發機的響應時間測量參考收發機的距離(803),(2)通過都卜勒頻移測量參考收發機的到達角(805)。在兩次測量完成之後，計算位置(807)。
其次，通過比較參考收發機的已知位置和在第一部分中確定的位置，產生誤差矢量(809)。
第三，通過兩次同樣的測量估計未知位置收發機的位置，即(1)通過收發機的響應時間測量參考收發機的距離(811)；(2)通過都卜勒頻移測量參考收發機的到達角(813)。計算未知位置收發機的位置估計(815)。
最後，將誤差矢量運用於估計的位置以獲得未知位置收發機的最後位置(817)。
參考圖9，查詢參考收發機時測量的糾錯矢量903，用於在局部區域內糾正移動用戶收發機的位置。這種技術的優點是，通過同時測量參考收發機的位置和移動收發機的位置，可以去除與這兩次測量相關的任何誤差。相關的誤差包括所有系統誤差，如衛星位置和速度誤差，電離層傳播時延誤差，對流層傳播時延誤差，和地表高度建模誤差。
為了確定糾錯矢量903，首先測量參考收發機的位置。這就是「測量的位置」905。下一步，確定測量的位置905和已知位置901之差，這個差就代表糾錯矢量903。然後，在初始位置估計911的基礎上，用糾錯矢量903糾正用戶收發機310的位置，得到改進的位置估計907。
翻到圖10，它表述了位於具有代表性的五州地區的可能的參考收發機的代表性地圖。具有代表性的站點包括Washington,D.C.(4),Blacksburg,Virginia(3),Richmond,Virginia(2)，和中West Virginia(1)。
減小誤差如上所述，本發明的地理定位技術的精度可能不足以在所有情況下將移動單元310定位到所需的精度。定位誤差的多種來源是可以用標準差或其它統計方差項表示的隨機誤差。在確定已經獲得了足夠的位置精度前可以多進行幾次位置計算。可以對給定的移動單元310進行重複測量以獲得更多的測量值。這樣，定位過程可以進行多次測量以獲得平均的結果。從多個位置參數集中確定的平均位置估計可以減小位置估計中的不準確性，從而提高定位精度。
如上所述確定了位置之後，及時對給定點的平均測量建立一個誤差橢圓。這個誤差橢圓是由平均的測量次數，表徵位置參數的方差項和當前估計的位置定位確定的。這個誤差分布是一個以估計位置為中心的橢圓。當誤差最小時，這個橢圓將更圓，並且覆蓋相對小的區域。當誤差變大時，橢圓的區域增加(更加不圓)同時它的形狀變得更加扁平。
地理定位測量的性能基於多種地理定位技術和對與每種技術相關的地理定位誤差的估計的唯一組合。這些定位技術和它們各自的誤差是由衛星工作軌道動態和幾何，信噪比的測量和它們的精度，由GPS誤差導致的衛星304的位置(從這個位置可以得到衛星的星曆)誤差，衛星平面和移動單元同步模型，和移動單元地理定位的計算方法(即，到達頻率和到達時間曲線)所限定的。性能分析包括幾個獨立的步驟。這些步驟包括建立反應運作概念的模型並提供方均根(RMS)誤差估計，確定定位誤差和參量誤差分析的誤差源的敏感度，選擇幾何和參數以獲得實際測量的期望值，並對實測數據進行模型校準。
這個模型的主要優點是使用了實際地理定位處理算法，用統計分布表示誤差源。通過調整誤差分布並去除偏置來校準誤差分析。使用差分地理定位技術提供作為運行方案的一個函數來確定算法性能的機制。這就在提供移動單元位置估計的同時提供了RMS誤差。RMS誤差與移動單元位置分布在統計上是匹配的。可以調整誤差分布並去除偏置以充分地反應移動單元RMS位置誤差，同時對獨立誤差分布正確建模。實際移動單元位置誤差的每一個誤差源的相對貢獻可以作為測量持續時間的函數來確定。
建立移動單元地理定位精度的方法將聯合來自各種地理定位技術的誤差因子。在計算中，偏置被去除而產生的RMS誤差在算法中傳遞。在分析中，對一個估計的所有RMS誤差將轉換為正交RMS誤差。在聯合相互獨立的方差時，相關的所估計和正交RMS誤差將被投影到一個普通的直角坐標系中，並且使用估計的和以及投影的RMS誤差和的平方根計算得到的估計以及RMS誤差沿每個坐標軸平方。
絕對移動單元地理定位誤差的RMS是通過聯合單星估計中的絕對地理定位誤差的相互獨立的RMS誤差和相對移動單元地理定位RMS誤差獲得的。移動單元310的地理定位以及相對RMS誤差是通過測量的參數，相關的RMS測量誤差和相對RMS位置誤差確定的軌跡集計算的。將所有RMS參數誤差投影到普通的歐氏坐標系，移動單元位置的估計是通過最小化它到每一條軌跡的加權(通過投影的積，如果有RMS誤差)距離建立的。在每個坐標上得到的移動單元位置估計的RMS參數誤差由N(∑i-1Nσi-1)-1給出，其中N是使用的軌跡的數目，σi是RMS參數在估計的移動單元位置沿軌跡(i到N)的法線坐標上的誤差。請注意，估計中使用的RMS誤差權重和產生的RMS參數誤差依賴於測量的沿軌跡的法線通過估計點的RMS誤差值，因此導致誤差與距離有關的分布。由於在計算法線時不確定性可能出現在所使用的軌跡面的分支上，所以應該使用移動單元的真實位置。
到達頻率曲線和到達時間曲線相交成直角的位置將在都卜勒分量和傳播持續時間測量上具有小的誤差，從而產生小的地理定位誤差。這些位置遠離衛星最低點方向與地球表面的相交處。到達頻率曲線與到達時間圓切向相交越厲害，小的測量誤差就越易導致很大的地理定位誤差。此外，誤差在垂直星地軌道的方向上通常要大於平行星地軌道的方向。
在確定誤差橢圓後，可以獲得與位置定位測量相關的位置精度參數。位置精度通常表示為圓誤差概率(CEP)，其中位置精度定義為一個以位置測量為圓心的圓。誤差精確度(如誤差橢圓)和位置精確度(如CEP)比較。此後是確定誤差是否小於位置精度。如果誤差橢圓中一塊預定比例的區域可以落入CEP中，誤差就小於位置精度。除非誤差橢圓的區域充分地限制在CEP中，否則就需要進一步求精。如果誤差不小於允許的誤差，測量過程將被指示進行另一次測量。這種求精將導致誤差橢圓的區域收縮。在某些點，誤差橢圓收縮為一個點，該點確定誤差小於位置精度。在這點，地理定位系統不再要求對移動單元310的位置求精，公布位置，並且將過程終止。
內容因為本發明獨立於GPS，因此不需要GPS接收機的體積，功耗和成本。差分GPS要求每部GPS接收機都要接收到另外一個參考信號以便接收機操作。通過在中央衛星地面站計算收發機的位置，本發明的收發機可以保持簡單，廉價並且不需要為處理額外的參考信號而消耗功率。因此，它的電池壽命超過差分GPS接收機。
此外，GPS要求同時從多個衛星接收到信號以計算位置。本發明中使用的距離和都卜勒聯合技術只要求與一個非靜止軌道衛星通信。因此，在只有一條衛星鏈路的情況下，距離和都卜勒聯合技術可以獲得位置估計，而GPS不能。
權利要求
1．定位移動單元的方法包括以下步驟a)獲得移動單元在地球上可能位於的第一曲線；b)獲得移動單元在地球上可能位於的第二曲線；c)確定地球上兩條曲線的交點，該交點代表移動單元的位置估計；d)對一個參考單元執行步驟a)到c)以獲得參考單元的位置估計，其中參考單元的位置是已知的；e)比較參考單元的位置估計和參考單元的已知位置，產生誤差矢量；以及f)將該誤差矢量應用於移動單元的位置估計以獲得移動單元的位置。
2．根據權利要求1的方法，其特徵在於獲得第一曲線的步驟a)包括以下子步驟(ⅰ)在衛星上確定來自移動單元的信號的到達時間；(ⅱ)從信號的到達時間計算移動單元必須位於的一個球面；和(ⅲ)從球面和地球的交線獲得第一曲線。
3．根據權利要求1的方法，其特徵在於獲得第二曲線的步驟b)包括以下子步驟(ⅰ)在衛星上確定來自移動單元的信號的到達角；(ⅱ)從信號的到達角計算移動單元必須位於的一個錐面；和(ⅲ)從錐面和地球的交線獲得第二曲線。
4．操作具有至少一顆低地軌道衛星並且具有至少一個和所述低地軌道衛星通信的移動單元的地理定位系統的方法，所述方法包括以下步驟使用上述低地軌道衛星在該低地軌道衛星和上述移動單元之間通信，該低地軌道衛星將來自移動單元的電磁信號轉發到系統地面站終端而不對該電磁信號做進一步處理；在上述低地軌道衛星和上述移動單元之間通信以獲得一組地理定位參數；獲得上述移動單元的近似地理位置，所述地理位置具有與之相關的誤差；通過在低地軌道衛星和參考站之間通信確定上述近似地理位置的地理定位精度；和使用上述地理定位精度對移動單元的近似地理位置求精。
5．根據權利要求4的方法，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的都卜勒頻移測量中獲得的。
6．根據權利要求4的方法，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的到達時間測量中獲得的。
7．根據權利要求5的方法，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的到達時間測量中獲得的。
8．操作使用從地球表面或近地表面的移動單元向排布在已知繞地球軌道上的衛星星座圖中一顆衛星發射的電磁信號的地理定位系統的方法，所述方法能夠以一定精度確定移動單元位置，該移動單元和低地軌道衛星相對其它移動單元和低地軌道衛星能夠有選擇地移動，所述方法包括以下步驟a)在整個地理區域上的固定測量站點分布多個參考站轉發器；b)通過在衛星地面站測量移動單元發射機信號的第一多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，第一多個地理定位參數的到達時間分量，和第一多個地理定位參數的到達角度分量確定移動單元的近似位置；c)通過在衛星地面站測量移動單元發射機信號的第二多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，第二多個地理定位參數的到達時間分量，和第二多個地理定位參數的到達角度分量確定多個參考站中至少一個的近似位置；d)比較多個參考站中至少一個的近似位置和多個參考站中至少一個事先已知的精確位置，得到差分誤差矢量；和e)將差分誤差矢量應用於步驟b)中得到的移動單元的近似位置，獲得移動單元的精確位置。
9．根據權利要求8的方法，其特徵在於還包括以下步驟f)通過一顆低地軌道衛星指示移動單元發射機發射。
10．根據權利要求8的方法，還包括通過確定多個參考站中每一個的精確緯度和經度來確定多個參考站中每一個的精確位置的步驟，以及確定多個參考站中至少一個的近似位置的步驟c)包括確定多個參考站中所述至少一個的近似緯度和經度。
11．根據權利要求8的方法，其特徵在於所述的比較步驟d)還包括提取精確緯度和近似緯度之間的第一差值，提供相應於所述第一差值的幅度和南或者北方向上的差分緯度修正，以及提取精確經度和近似經度之間的第二差值，提供相應於所述第二差值的幅度和東或者西方向上的差分經度修正。
12．根據權利要求8的方法，其特徵在於所述應用差分誤差矢量的步驟e)包括聯合移動單元近似緯度和上述差分緯度修正獲得修正的移動單元緯度以及聯合移動單元近似經度和上述差分經度修正獲得修正的移動單元經度。
13．根據權利要求8的方法，其特徵在於所述應用步驟e)是由命令中心進行的。
14．根據權利要求8的方法，其特徵在於還包括在移動單元接收廣播的標識碼並且將廣播的標識碼和移動單元中存儲的標識碼相比較的步驟。
15．在低地軌道衛星發射的信號的基礎上高精度確定移動單元的位置的系統，該衛星放置在確知的地球軌道上，移動單元能夠在整個地理區域中有選擇地移動，所述系統包括a)一個命令中心；b)從命令中心向移動單元發射地理定位信息和其它數據的發射機；c)接收從移動單元通過多個低地軌道衛星到命令中心的都卜勒頻移，到達時間和到達角度數據，以及其它數據的接收機；和d)位於命令中心中的測量/地理定位/業務處理器，該處理器確定多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，多個地理定位參數的到達時間分量，多個地理定位參數的到達角度分量，和傳播於移動單元與低地軌道衛星之間的移動單元發射機信號的近似位置，其中命令中心包括接收多個固定參考站的差分數據和上述移動單元的近似位置的接收機，而所述處理器在移動單元的近似位置和多個固定參考站的已知位置的基礎上在上述多個固定參考站中確定一個目前與移動單元在同一顆衛星的視域內的固定參考站，並且所述處理器聯合移動單元的近似位置和來自確定的一個差分站的差分數據，提供移動單元的精確位置。
16．定位移動單元的裝置包括a)獲得移動單元在地球上可能位於的第一曲線，以及參考單元在地球上可能位於的第一曲線的第一裝置；b)獲得移動單元在地球上可能位於的第二曲線，以及參考單元在地球上可能位於的第二曲線的第二裝置；c)確定地球上移動單元的第一和第二曲線的第一交點，以及地球上參考單元的第一和第二曲線的第二交點的裝置，所述第一和第二交點分別代表移動單元和參考單元的位置估計；d)比較參考單元的位置估計和參考單元的已知位置，產生誤差矢量的裝置；以及e)將該誤差矢量應用於移動單元的位置估計以獲得移動單元的位置的裝置。
17．根據權利要求16的裝置，其特徵在於第一獲取裝置還包括在衛星上確定來自移動單元的信號和來自參考單元的信號的到達時間的裝置；通過參考單元的信號到達時間計算移動單元必須位於的球面，並且通過參考單元的信號到達時間計算參考單元必須位於的球面的裝置；和從移動單元的球面和地球的交線獲得移動單元的第一曲線，並且從參考單元的球面和地球的交線獲得參考單元的第一曲線的裝置。
18．根據權利要求1的方法，其特徵在於第二獲得裝置還包括在衛星上確定來自移動單元的信號的到達角，以及在衛星上確定來自參考單元的信號的到達角的裝置；從移動單元的信號的到達角計算移動單元必須位於的一個錐面，以及從參考單元的信號的到達角計算參考單元必須位於的一個錐面的裝置；和從移動單元的錐面和地球的交線獲得移動單元的第二曲線，以及從參考單元的錐面和地球的交線獲得參考單元的第二曲線的裝置。
19．操作具有至少一顆低地軌道衛星並且具有至少一個和所述低地軌道衛星通信的移動單元的地理定位系統的裝置，所述裝置包括使用上述低地軌道衛星在所述低地軌道衛星和上述移動單元之間通信的裝置，該低地軌道衛星將來自移動單元的電磁信號轉發到系統地面站終端而不對該電磁信號做進一步處理；在上述低地軌道衛星和上述移動單元之間通信以獲得一組地理定位參數的裝置；獲得上述移動單元的近似地理位置的裝置，所述地理位置具有與之相關的誤差；通過在低地軌道衛星和參考站之間通信確定上述近似地理位置的地理定位精度的裝置；和使用上述地理定位精度對移動單元的近似地理位置求精的裝置。
20．根據權利要求19的裝置，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的都卜勒頻移測量中獲得的。
21．根據權利要求19的裝置，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的到達時間測量中獲得的。
22．根據權利要求21的裝置，其特徵在於地理定位參數是從低地軌道衛星和移動單元之間信號的到達時間測量中獲得的。
23．使用從地球表面或近地表面的移動單元向排布在已知繞地球軌道上的衛星星座圖中一個衛星發射的電磁信號的地理定位系統，所述方法能夠以一定精度確定移動單元位置，該移動單元和低地軌道衛星相對其它移動單元和低地軌道衛星能夠有選擇地移動，所述方法包括以下步驟a)在整個地理區域上的固定測量站點分布多個參考站轉發器；b)處理器(1)通過在衛星地面站測量移動單元發射機信號的第一多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，第一多個地理定位參數的到達時間分量，和第一多個地理定位參數的到達角度分量確定移動單元的近似位置，(2)通過在衛星地面站測量移動單元發射機信號的第二多個地理定位參數的都卜勒頻移分量，第二多個地理定位參數的到達時間分量，和第二多個地理定位參數的到達角度分量確定多個參考站中至少一個的近似位置，並且(3)比較多個參考站中至少一個的近似位置和多個參考站中至少一個事先已知的精確位置，得到差分誤差矢量，並且將差分誤差矢量應用於(1)中得到的移動單元的近似位置，獲得移動單元的精確位置。
24．地理定位一個裝置的方法包括確定表示固定參考站的已知位置和測量的位置之差的誤差矢量，並將那個誤差矢量用於裝置的測量位置的步驟。
25．定位移動單元的方法包括確定參考單元的位置，計算表示實際已知位置和測量的位置之差的誤差矢量，使用與測量參考單元的位置相同的技術估計移動單元的位置，並且將誤差矢量應用於移動單元的估計位置以確定移動單元的最後位置的步驟。
全文摘要
提供改進的基於衛星的跟蹤系統的方法和裝置，使用已知位置參考發射機站提供的糾錯矢量，可以用於改善對未知位置發射機的位置估計。確定地面發射機位置的技術稱為地理定位。為了地理定位，要通過衛星地面站和地球軌道上的衛星轉發器(304)查詢發射機/接收機(收發機)(306)。一旦接收到衛星廣播的收發機唯一標識碼，收發機將通過衛星轉發器將它的標識碼發回衛星地面站。環路響應時間用於計算衛星到收發機的距離。衛星在非靜止軌道上運動造成的接收信號都卜勒頻移用於計算信號到衛星的到達角。距離和到達角結合在一起計算收發機的位置估計。這個地理定位過程對一個已知參考站點和所有未知站點的移動和/或固定收發機重複。對參考收發機產生的位置估計和一個預先已知的參考收發機位置進行比較。估計位置和參考端的已知位置之差產生誤差矢量。這個誤差矢量用於對所有預先未知位置收發機的位置估計，提高位置估計的精度。
文檔編號G01S13/78GK1238868SQ97196336
公開日1999年12月15日 申請日期1997年7月3日 優先權日1996年7月12日
發明者M·J·肖爾 申請人:鷹眼技術公司