地理位置調節點波束交疊的製作方法

2023-05-07 13:26:16 2

專利名稱：地理位置調節點波束交疊的製作方法
技術領域：
本公開涉及使用點波束交疊用於地理位置調節。具體地，本公開涉及使用點波束獲得精確定位，其維持用於時間變換的足夠高準確性。
背景技術：

發明內容
本公開涉及使用點波束交疊用於地理位置調節的系統、儀器和方法。在一個或更多實施例中，使用點波束交疊用於地理位置調節的方法涉及提供用戶接收器裝置的位置的估計。該方法包含至少ー個運載工具發出至少ー個點波束到地球，以及使用用戶接收器裝置從至少一個點波束接收信號。該方法進ー步包含使用用戶接收器裝置根據用戶接收器裝置在至少ー個點波束內的位置計算用戶接收器裝置的位置的估計。
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在一個或更多實施例中，該方法進ー步包括計算從至少ー個運載工具到地球表面的範圍。在一些實施例中，該方法進ー步包含計算從至少ー個運載工具到用戶接收器裝置的範圍。在至少ー個實施例中，計算從至少ー個運載工具到用戶接收器裝置的範圍涉及測量至少ー個運載工具的都卜勒頻率偏移，使用卡爾曼濾波器計算都卜勒範圍估計和/或偽距測量，以及計算至少一個運載工具到用戶接收器裝置的範圍的運行估計。在本公開的ー些實施例中，使用點波束交疊用於地理位置調節的方法提供了地理位置算法的準確性的改進。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置位於衰減環境、阻塞環境或者封閉環境中。在至少ー個實施例中，封閉環境是在室內。在一些實施例中，使用點波束交疊用於地理位置調節的方法進ー步涉及使用來自至少ー個運載工具的信噪比(SNR)測量來進ー步細化/精化(refine)用戶接收器裝置的位置的估計。在一個或更多實施例中，本公開的至少ー個運載工具是衛星、偽衛星、太空梭、飛行器、飛船和/或直升機。在可替換實施例中，可以採用各種其他類型的運載工具用於本公開的至少ー個運載工具。在一些實施例中，可以使用的飛行器類型包括但不限於飛機和/或無人機(UAV)。在至少ー個實施例中，本公開可以採用的衛星類型包括但不限於低軌道地球(LEO)衛星、中軌道地球(MEO)衛星和/或對地靜止軌道(GEO)衛星。在一些實施例中，至少ー些運載工具具有已知的軌道和/或已知的路徑。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置是可移動的和/或固定的。在一些實施例中，該方法涉及至少ー個運載工具使用至少ー個射頻(RF)天線發射至少ー個點波束。在至少ー個實施例中，至少ー個點波束作為固定位置波束從至少ー個RF天線放射。在其他實施例中，至少ー個點波束作為掃描波束從至少ー個RF天線放射。在一些實施例中，用戶接收器裝置使用至少ー個RF天線從至少ー個點波束接收信號。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置使用處理器計算用戶接收器裝置的位置的估計。在一些實施例中，當用戶接收器裝置只從ー個點波束接收信號時，用戶接收器裝置計算用戶接收器裝置的位置的估計為位於該點波束的交集的中心。在至少ー個實施例中，當用戶接收器裝置從至少兩個點波束接收信號時，用戶接收器裝置計算用戶接收器裝置的位置的估計為位於至少兩個點波束的交集的中心。在其他實施例中，當用戶接收器裝置從至少兩個點波束接收信號時，用戶接收器裝置計算用戶接收器裝置的位置的估計為位於至少兩個點波束的中心的重心。在一些實施例中，本公開的用戶接收器裝置將點波束方位記錄為從點波束上升(tEISE)的時間到點波束下降(tSET)的時間。在一個或更多實施例中，當遮蔽角在全部方向相對於用戶接收器裝置是均勻的情況下，假設在時間=((tSET_tKISE)/2)，用戶接收器裝置位於在軌(in-track direction)方向的點波束的中心。可替換地，當遮蔽角在點波束上升方向和點波束下降方向上是不均勻的情況下，假設在時間=((AtftJ/2)，其中(Atftue)/2=
(^ ^ReVerMeasured"^" ^ ^ 0 Bias
)/2,用戶接收器裝置位於在軌(in-track direction)方向的點波束
的中心。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置使用接收的至少ー個點波束的振幅計算用戶接收器裝置的位置的估計。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置對隨時間的推移而計算的用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均，以進ー步細化用戶接收器裝置的位置的估計。在一些實施例中，用戶接收器裝置使用卡爾曼濾波器對用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均。在可替換實施例中，用戶接收器裝置使用匹配濾波器對用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均。在一個或更多實施例中，用戶接收器的位置的估計由全球定位系統(GPS)使用以有助於快速獲得GPS信號。在一個或更多實施例中，使用點束交疊用於地理位置調節的系統涉及提供用戶接收器裝置的位置的估計。該系統包含至少ー個運載工具和用戶接收器裝置。在一些實施例中，至少ー個運載工具發射至少ー個點波束到地球上。在至少ー個實施例中，用戶接收器裝置包括至少ー個RF天線和處理器。在一個或更多實施例中，至少ー個RF天線接收至少ー個點波束。在一些實施例中，處理器根據用戶接收器裝置在至少ー個點波束內的位置計算用戶接收器裝置的位置的估計。在一些實施例中，用戶接收器裝置進ー步包括本地時鐘和存儲器。存儲器適於存儲隨時間的推移而記錄的相繼的點波束識別信息。而且，用戶接收器裝置的處理器能夠計算至少一個運載工具的都卜勒頻率偏移。在至少ー個實施例中，用戶接收器裝置進ー步包括內部軌道模型。在一些實施例中，用戶接收器裝置經由來自至少一個運載工具的傳輸接收軌道數據信息。在其他實施例中，用戶接收器裝置經由來自至少一個運載工具和/或來自基於地球的網絡的傳輸接收軌道A形修正信息。在本公開的至少ー個實施例中，基於地球的網絡是蜂窩網絡。


可參照下列說明、所附權利要求和附圖更好地理解本公開的這些及其他特徵、方面和優點，在附圖中圖IA圖示根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，單個衛星的交疊的多個點波束的使用。圖IB圖示根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，單個衛星的交疊的多個點波束與蜂窩網絡的使用。圖2示出根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，單個衛星的交疊的多個點波束隨時間推移的使用。圖3示出根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，兩個衛星的交疊的多個點波束的使用。圖4顯示根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，隨著時間掃描的單個衛星的交疊的多個點波束的使用。圖5示出根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，用戶接收器裝置接收的單個衛星的信號振幅的使用。圖6顯示根據本公開的至少ー個實施例為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，用戶接收器裝置接收的兩個衛星的信號振幅的使用。 圖7圖示根據本公開的至少ー個實施例隨著時間單個衛星掃描的點波束的信號振幅的使用。圖8是根據本公開的至少ー個實施例針對均勻遮蔽角使用單個衛星的點波束的上升和下降時間估計用戶接收器裝置的位置的圖示。圖9A顯示根據本公開的至少ー個實施例針對不均勻遮蔽角使用單個點波束上升和下降時間估計用戶接收器裝置的位置的圖示。圖9B顯示根據本公開的至少ー個實施例針對不均勻遮蔽角使用單個衛星的點波束的上升和下降時間估計用戶接收器裝置的位置的圖示。圖10提供圖示根據本公開的至少ー個實施例獲得用戶接收器裝置和衛星之間的範圍的運行估計的方法的流程圖。
具體實施例方式這裡公開的方法提供了使用點波束交疊進行地理位置調節(geolocationleverage)的作業系統。具體地，該系統涉及使用點波束以獲得維持用於時間變換的足夠高準確性的精確定位。當前，由各種現有衛星導航系統提供的導航和定時信號通常無法提供令人滿意的系統性能。特別地，這種導航和定時信號的信號功率、帶寬和幾何調節通常不足以滿足許多苛刻使用方案的需求。例如，基於全球定位系統(GPS)信號的現有導航和定時方法在很多實例中通常對導航用戶不可用。在操作期間，GPS接收器通常必須接收至少四個同步的測距(range)源以允許三維(3D)定位和精確的時間變換。然而，GPS信號通常提供不充分的低信號功率或者幾何形狀(geometry)，從而不容易穿過市區的深谷或者建築物的牆壁。當這種情形發生吋，GPS接收器將無法接收其進行精確3D定位和時間變換所需要的信號。在另ー示例中，基於蜂窩電話或者電視信號的導航方案也不提供令人滿意的系統性能。這是因為其信號通常缺乏垂直導航信息，這種信息是許多導航使用方案期望得到的。現有導航系統試圖通過利用各種方案克服室內導航的不足。這些各種方案中的一些方案包括使用慣性導航系統、專用燈塔和高靈敏度GPS系統。然而，應該注意到這些方法中的每種方法都具有其自身獨ー無ニ的缺點。慣性導航系統偏斜並且昂貴。燈塔需要昂貴且尚未標準化的專用固定設備。同樣，燈塔被建築只是為了具有專門的效用。並且，由於GPS信號在室內環境中的虛弱，所以靈敏的GPS系統通常不會按用戶的期望完成任務。公開的系統和方法能夠在用戶接收器裝置位於衰減環境、阻塞環境和/或封閉環境中例如在室內時提供導航系統性能的改進。本公開的系統和方法考慮根據用戶接收器裝置位於其內的衛星的方向信號(即點波束)的已知來確定用戶接收器裝置在地球表面上或附近的位置的估計。通過利用唯一可識別的點波束幾何形狀的知識，例如來自Iridium低軌道地球衛星，用戶接收器裝置能夠辨別出用戶接收器裝置在任何給定時間段位於哪組衛星點波束內。用戶接收器裝置的位置的最簡單的近似是點波束的中心在地球表面上的投影的計算，其在統計學上具有用戶接收器裝置的真實位置的最高可能性。結合已知衛星位置，由用戶接收器裝置推導出的ー階近似的用戶接收器裝置位置估計可用於估計用戶接收器裝置-衛星單位矢量。本公開的系統採用被稱為波束平均的方法，其包括各種實施例以估計用戶接收器裝置的位置，並且隨後用額外測量細化/精化(refine)該估計。在自信號點波束產生ー階位置估計之後，可以通過監視隨時間前進掃過用戶接收器裝置的連續的點波束來細化該估計。當存在用戶接收器裝置位於兩個或更多點波束的交集內的情況時，用戶接收器裝置的·位置可以估計為處於點波束的交集的中心。在給定的持續時間段間，用戶接收器裝置可能位於來自單個衛星或者多個衛星的多個交疊點波束內。用戶接收器裝置的位置可以估計為處於多個交疊點波束的中心的重心/質心(centroid)。另外，兩個或更多連續的用戶接收器裝置位置估計可以在時間上求平均以進ー步減少用戶接收器裝置的位置誤差。每單位面積傳輸較大數目點波束的衛星將提供更準確的用戶接收器裝置估計。通過仔細記錄哪些波束交疊以及這種交疊關於時間怎樣變化可以顯著改善地理位置算法和衛星距離預測的準確性。在至少ー個實施例中，單個點波束的上升和下降(setting)時間被追蹤，並且用戶接收器裝置的位置被估計為在點波束內的ー個位置，該位置相應於由用戶接收器裝置確定的點波束上升和下降時間之間的中間
(halfwayノ。在一個或更多實施例中，所公開的系統和方法通過使用接收器位於其內部的至少ー個非對地靜止的運載工具的方向信號(即點波束)的知識獲得位於地球表面上或附近的用戶接收器裝置的方位的估計。本公開可採用的特定類型的非對地靜止的運載工具由Iridium衛星星座例示，其為低軌道地球(LE0)、3軸穩定的、地球指向衛星，其在已知的確定性天線點波束圖中向地球傳輸信號。對於任意給定衛星，如果在任意時刻も，衛星相對地球的方位和俯仰角(attitude)已知，並且如果發射的天線點波束相對衛星的方向已知，那麼能夠計算出時刻h在地球表面上點波束的中心的交集。進ー步地，如果天線點波束的特性眾所周知，則可以計算時刻h天線點波束在地球表面上的投影的圖形。這對於本領域技術人員是眾所周知的。例如，在Iridium衛星星座示例中，衛星向所定義的坐標系中的用戶接收器裝置發射點波束中心位置是可能的。通過利用唯一可識別的點波束幾何形狀的知識，檢測至少ー個點波束信號的用戶接收器裝置能夠辨別出在給定時刻h用戶接收器裝置位於哪組衛星和點波束內。例如，接收的信號的部分可能標識具體的點波束識別號碼。一旦用戶接收器裝置位於其內的點波束被確定，用戶接收器裝置就可以確定它處於點波束的投影內的ー個位置。然後，一旦用戶接收器裝置計算點波束在時刻も的投影的位置，用戶接收器裝置就可計算時刻も其自身位置的估計。此測量的準確性將取決於給定點波束在地球表面上的投影的大小。每個運載工具傳輸更多數目的點波束的諸多運載工具將提供更準確的方位估計。易於理解的是，這種系統的準確性將是地球表面上或附近的點波束投影的大小和數目的函數。同樣地，系統的準確性可以通過増加地球表面上點波束的數目以及減少地球表面上點波束的半徑(即聚焦點波束)得到提高。應該注意，本公開的系統和方法可以採用各種類型的高架運載工具作為用於點波束的發射源。可用於本公開的系統的運載工具的類型包括單不限於衛星、偽衛星、太空梭、飛行器、飛機、無人機(UAV)、飛船和/或直升機。此外，各種類型的衛星可以用於所公開系統的運載工具，其包括但不限於低軌道地球(LEO)衛星、中軌道地球(MEO)衛星和/或對地靜止地球軌道(GEO)衛星。當採用非衛星的運載工具時，不需要對所公開的系統作出實際的改變，只要點波束幾何形狀對於用戶接收器裝置已 知並且被良好定義。而且，在本公開的系統的ー個或更多實施例中，至少ー個運載工具具有已知的軌道和/或已知的路徑。在以下說明中，記載了很多細節以提供對本系統的更徹底的描述。然而，對於本領域技術人員來說，不需要這些具體細節也可以實踐本公開的系統是顯而易見的。在其他實例中，並未詳細描述眾所周知的特徵，以免不必要地模糊該系統。圖IA根據本公開的至少ー個實施例示出為獲得用戶接收器裝置120的位置的估計，單個衛星100的交疊的多個點波束110的使用。並且，圖IB根據本公開的至少ー個實施例示出為獲得用戶接收器裝置120的位置的估計而使用單個衛星100的交疊的多個點波束110同時ー並使用蜂窩網絡130。除了圖IB採用蜂窩網絡130的使用以外，圖IB與圖IA類似。在這兩個圖中，可以看出單個衛星100向地球發射至少ー個點波束110。在ー個或更多實施例中，衛星100使用至少ー個射頻(RF)天線發射點波束110的至少ー個。用戶接收器裝置120從發射的點波束110的至少ー個接收信號。然後，用戶接收器裝置120根據其在發射的點波束110中的一個點波束內的位置計算其在地球上的位置的估計。在圖IA和IB中，用戶接收器裝置120計算用戶接收器裝置120位於其內的至少一個點波束的位置。為了進行此計算，用戶接收器裝置120使用衛星100方位的知識、衛星100俯仰角的知識和/或點波束110的方向和/或圖形的知識。在一些實施例中，為了用戶接收器裝置120獲得點波束110的方向和/或圖形知識，用戶接收器裝置120參考波束幾何形狀資料庫和/或內部軌道模型。在圖IA中，衛星100方位信息(即星曆表)從衛星100自身發射到用戶接收器裝置120。在一些實施例中，用戶接收器裝置120通過來自衛星100的發射接收軌道數據信息和/或軌道A修正信息。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置120通過使用來自其內部軌道模型的數據並使用其從衛星100接收的軌道A(delta)修正計算衛星100方位。在ー些實施例中，點波束110的方向和/或圖形的計算在衛星100上完成。點波束110的方向和/或圖形信息可以作為包含在點波束的信號中的消息的部分從衛星100傳輸到用戶接收器裝置120。可替換地，在圖IB中，衛星100方位信息(即星曆表)通過蜂窩網絡130被傳輸給用戶接收器裝置120。在其他實施例中，除蜂窩網絡之外的各種類型的基於地球的網絡可以被本公開的系統採用以將衛星100方位信息(即星曆表)傳輸給用戶接收器裝置120。在一些實施例中，用戶接收器裝置120通過來自蜂窩網絡130的傳輸接收軌道數據信息和/或軌道A修正信息。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置120通過使用來自其內部軌道模型的數據並使用其從蜂窩網絡130接收的軌道A修正計算衛星100方位。在一個或更多實施例中，當用戶接收器裝置120隻從ー個點波束110接收信號吋，用戶接收器裝置120計算用戶接收器裝置120的位置的估計位於點波束的中心。可替換地，當用戶接收器裝置120從兩個或更多點波束110接收信號時，用戶接收器裝置120計算用戶接收器裝置120的位置的估計位於裝置120自其接收信號的點波束110的交集150的中心。在其他實施例中，當用戶接收器裝置120從兩個或更多點波束110接收信號時，用戶接收器裝置120計算用戶接收器裝置120的位置的估計位於裝置120自其接收信號的點波束110的中心的重心。在至少ー個實施例中，用戶接收器裝置120使用其從衛星100接收的信噪比(SNR)測量進一步細化其計算的其位置的估計。應該注意，在一些實施例中，用戶接收器裝置120的位置的估計用於提供對當前使用的地理位置算法的準確性的改進。此外，用戶接收器裝置120的位置的估計可以被全球定位系統(GPS)使用以有助於快速獲得GPS信 號。在一些實施例中，圖IA和IB的用戶接收器裝置120包括至少ー個射頻(RF)天線140，其用於從自衛星100發射的至少ー個點波束接收信號。RF天線可以被製造成位於用戶接收器裝置120的外殼的內部或外部。在一些實施例中，用戶接收器裝置120還包括處理器，其用於根據用戶接收器裝置120在至少ー個點波束110內的位置計算用戶接收器裝置120的位置的估計。在至少ー個實施例中，用戶接收器裝置120進ー步包括本地時鐘和存儲器，該存儲器適於存儲隨時間記錄的連續點波束識別信息。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置120是可移動的或者是固定的。圖2根據本公開的至少ー個實施例圖示為獲得用戶接收器裝置120的位置的估計，隨著時間的推移單個衛星100的交疊的多個點波束的使用。在此圖中顯示出，在時刻tQ，用戶接收器裝置120位於由SAT I衛星100放射/發射的點波束200的交集210內。應該注意，在此圖中，由SAT I衛星100放射的點波束200是固定方向的波束，不是掃描波束。在一個或更多實施例中，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第一估計為位於點波束200的交集(intersection) 210的中心。然後，該用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時刻h點波束200的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的此第一估計。在該圖中還示出，在後來的時刻At，從SAT I衛星100放射的點波束200掃過地球表面。同樣，該用戶接收器裝置120現在位於地球表面上點波束200的不同的交集220內。在這ー時間點上，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第ニ估計為位於點波束200的交集220的中心。然後，該用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時刻At的點波束200的位置，並存儲將用戶接收器裝置120的位置的第二估計。一旦該用戶接收器裝置120獲得用戶接收器裝置120的位置的至少兩個估計，用戶接收器裝置120的處理器使用這些估計計算用戶接收器裝置120的位置的進ー步細化的估計。在該圖中，顯示了用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的細化估計為處於交集210區域和交集220區域的交疊區域230的中心。在一個或更多實施例中，該用戶接收器裝置120使用波束平均技術獲得進ー步細化的估計。使用此技術，用戶接收器裝置120的處理器計算存儲的用戶接收器裝置120的位置的所有估計的平均以獲得細化的估計。在一些實施例中，用戶接收器裝置120的處理器使用波卡爾曼濾波器以執行波束平均。在可替換的實施例中，用戶接收器裝置120的處理器使用匹配的濾波器來執行波束平均。圖3根據本公開的至少ー個實施例示出為獲得用戶接收器裝置的位置的估計，兩個衛星的交疊的多個點波束的使用。在該圖中示出，在時刻b，用戶接收器裝置120位於由SAT I衛星100和SAT 2衛星300放射的點波束310的交集320內。在該圖中，由SAT I衛星100和SAT 2衛星300放射的點波束310不是掃描波束，而是固定方向的波束。在ー些實施例中，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第一估計為位於SAT I衛星100放射的點波束的交集330與SAT2衛星300放射的點波束的交集340的交集320的中心。然後，用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時間b點波束310的位置，並且存儲用戶接收器裝置120的位置的該第一估計。在至少ー個實施例中，在時刻tQ+A t，SAT I衛星100和SAT 2衛星300放射的點 波束310掃過地球表面。同樣，用戶接收器裝置120現在位於SAT I衛星100放射的點波束的交集和由SAT 2衛星300放射的點波束的交集的不同交集內。在該時間點，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第二估計為位於SAT I衛星100放射的點波束的交集與SAT 2衛星300放射的點波束的交集的交集。然後，用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時刻A t存儲點波束310的位置，並在其存儲器中存儲用戶接收器裝置120的位置的第二估計。在一些實施例中，用戶接收器裝置120通過使用波束平均獲得更細化的估計。對于波束平均，用戶接收器裝置120的處理器通過計算存儲的用戶接收器裝置120的位置的所有估計的平均值來確定細化的估計。應該注意，在可替換的實施例中，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置為位於SAT I衛星100放射的點波束的中心與SAT 2衛星300放射的點波束的中心的重心。圖4根據本公開的至少ー個實施例示出為獲得用戶接收器裝置的位置的估計，隨時間的推移而掃描的單個衛星的交疊的多個點波束的使用。在該圖中示出，在時刻b，用戶接收器裝置120位於SAT I衛星100放射的點波束400的交集410內。應該注意，SAT I衛星100放射的點波束是掃描波束，不是固定方向的波束。同樣，掃描的點波束400正在隨時間的過去而掃過地球表面。用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第一估計為位於SAT I衛星100放射的點波束400的交集410的中心。然後，用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時間b點波束400的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的該第一估計。在時刻A t，SAT I衛星100放射的掃描點波束400掃過地球表面。用戶接收器裝置120現在位於地球表面上點波束400的不同的交集420內。此時，用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的第二估計為位於點波束400的交集420的中心。之後，用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲時刻At點波束400的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的該第二估計。在用戶接收器裝置120獲得用戶接收器裝置120的位置的至少兩個估計之後，用戶接收器裝置120的處理器使用這些估計計算用戶接收器裝置120的位置的細化估計。用戶接收器裝置120的處理器計算用戶接收器裝置120的位置的細化估計為處於交集410區域和交集420區域的交疊區域430的中心。在一些實施例中，用戶接收器裝置120使用波束平均計算進一步細化的估計。對於此技術，用戶接收器裝置120的處理器計算存儲的用戶接收器裝置120的位置的所有估計的平均值來獲得細化的估計。圖5、6和7根據本公開的多個實施例示出為獲得用戶接收器裝置的位置的估計而使用衛星信號振幅的各種實施例。特別是，圖5示出為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計被用戶接收器裝置接收的單個衛星信號振幅的使用，圖6示出為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計，被用戶接收器裝置接收的兩個衛星信號振幅的使用，以及圖7示出為了獲得用戶接收器裝置的位置的估計來自隨時間的推移被掃描的點波束的單個衛星信號振幅的使用。在圖5中，SAT I衛星100向地球放射一個點波束110。在該圖中，點波束500被示為具有主波束510和兩個旁瓣波束520。應該注意，對於該圖，點波束500是固定方向的
波束，不是掃描波束。在該圖中，用戶接收器裝置120被顯示為從放射的主波束510接收信號。用戶接收器裝置120的處理器使用它接收的信號的振幅根據其在發射的主波束510的信號振幅輪廓(contour) 530內的位置計算其在地球上的位置的估計。一旦用戶接收器裝置120獲得其位置的估計，用戶接收器裝置120將在器存儲器中存儲點波束500在地球上的位置，並存儲其用戶接收器裝置120的位置的估計。在圖6中，示出SAT I衛星100和SAT 2衛星300每個都分別在地球上放射ー個點波束600、610。在該圖中示出，用戶接收器裝置120位於SAT I衛星100放射的點波束600和SAT 2衛星300放射的點波束610的交集630內。對於該圖，點波束600和點波束610是固定方向的波束，不是掃描波束。用戶接收器裝置120的處理器使用它接收的信號的振幅根據其在發射的點波束600、610的信號振幅輪廓640內的位置計算其在交集630內的位置的估計。在用戶接收器裝置120獲得其位置的估計之後，用戶接收器裝置120在其存儲器中存儲點波束600和點波束610的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的估計。圖7中，在時刻b，顯示了 SAT I衛星100在地球上放射點波束700。此時，用戶接收器裝置120位於SAT I衛星100放射的點波束700內。應該注意，SAT I衛星100放射的點波束700是掃描波束，不是固定方向的波束。因此，當隨時間的推移點波束700掃描時，其掃過地球表面。用戶接收器裝置120的處理器使用它接收的信號的振幅根據其在點波束700的信號振幅輪廓內的位置計算其在點波束700內的位置的第一估計。然後，用戶接收器裝置120在其存儲器內存儲時刻b點波束700的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的第一估計。而且在圖7中，在時刻tQ+A t，顯示出SAT I衛星100波束700放射的點波束700掃過地球表面(此時示為點波束710)。用戶接收器裝置120此時位於點波束710內。此時，用戶接收器裝置120的處理器使用它接收的信號的振幅根據其在點波束710的信號振幅輪廓內的位置計算其在點波束710內的位置的第二估計。然後，用戶接收器裝置120在其存儲器內存儲時間A t點波束710的位置，並存儲用戶接收器裝置120的位置的第二估計。一旦用戶接收器裝置120獲得用戶接收器裝置120的位置的至少兩個估計，用戶接收器裝置120的處理器即使用這些估計計算用戶接收器裝置120的位置的進ー步細化的估計。用戶接收器裝置120的處理器使用波束平均計算用戶接收器裝置120的位置的進ー步細化估計為在點波束700和點波束710的交疊區域720內。此外，處理器根據其在點波束700和710的信號振幅輪廓730內的位置通過使用其接收的信號的振幅計算其在交疊區域720內的位置，從而獲得用戶接收器裝置120的位置的更進ー步細化的估計。圖8是按照本公開的至少ー個實施例針對均勻遮蔽角(masking angle)使用單個衛星100的點波束的上升和下降時間估計用戶接收器裝置120的位置的圖示。在該圖中，點波束的上升和下降時間用於獲得用戶接收器裝置120的位置的估計。對於這些實施例，從點波束上升的時間(tKISE)到點波束下降的時間(tSET)，點波束的所有方位被記錄。假設在所有方向相對於用戶接收器裝置120具有均勻的遮蔽高度角(elevation mask angle),在時間=((tSET_tKISE)/2)，用戶接收器裝置被假設為位於在軌方向的點波束的中心。應該注意，在軌(in-track)方向被定義為在用戶接收器裝置120頭頂的衛星的運動方向。對於在軌方向坐標系，原點位於用戶接收器裝置120的位置，X軸處於在用戶接收器裝置120頭頂的衛星的運動方向，z軸處於朝地心的方向，y軸使右旋笛卡兒坐標系完整。圖9A根據本公開的至少ー個實施例示出針對不均勻遮蔽角使用單個點波束的上·升和下降時間估計用戶接收器裝置的位置的圖示。並且，圖9B根據本公開的至少ー個實施例顯示針對不均勻遮蔽角使用單個衛星點波束的上升和下降時間估計用戶接收器裝置的位置的圖示。對於這些圖，由於經過用戶接收器裝置上方的衛星星座的波束圖在已知方向上(例如，從北向南)，所以只有在這些方向(例如，北和南)上的遮蔽角將是相關的，因為第一方向(例如，北)是衛星上升的方向，而第二方向(例如，南)是衛星下降的方向。對於這些實施例，a表示星座遮蔽角；ら是與在衛星上升的方向上阻塞用戶接收器裝置到衛星的視線的可能障礙相關聯的遮蔽角；並且@2是與在衛星下降的方向上阻塞用戶接收器裝置到衛星的視線的可能障礙相關聯的遮蔽角。當任何ー個P角或兩個@角
>a時引入偏離值。當￠,￠2=*1或者@ 1=0 2デa時，圖8中討論的均勻遮蔽角的情形出現。對於這些實施例，P角已知或者被估計。圖9A和9B示出存在使P2大於遮蔽角a的障礙的特定情形。當在衛星上升方向存在小的障礙吋，^!<a,因此該障礙不影響用戶接收器裝置與衛星的視線。因此，可以忽略該障礙。應該注意，對於衛星上升方向中的障礙，也存在P1Sa的類似變化。假設在衛星上升的方向和衛星下降的方向上高度不均勻，那麼可以假設在時間(Atftue)/2，其中(Atftue)/2= ( AtKeverMeasured+At02BiaS)/2，用戶接收器裝置位於在軌方向點波束投影的中心。圖10提供圖示根據本公開的至少ー個實施例獲得用戶接收器裝置與衛星之間的範圍的運行估計的方法的流程圖1000。在該圖中，用戶接收器裝置從低軌道地球(LEO)衛星1010接收衛星天文曆表(ephemeride)數據。應該注意,在其他各種的實施例中，公開的方法可以採用除LEO衛星以外的不同類型的衛星。在用戶接收器裝置接收天文曆表數據之後，用戶接收器裝置的處理器導出瞬時衛星方位、速率和加速度1020。在用戶接收器裝置計算這些推導之後，用戶接收器裝置自衛星接收放射的衛星點波束的初始點波束標識1030。在從衛星接收點波束標識之後，用戶接收器裝置在用戶接收器裝置存儲器中登記點波束標識和點波束中心用於相繼的點波束1040。然後，用戶接收器裝置的處理器通過波束平均技術利用這些登記的點波束標識和點波束中心，以導出運行的用戶接收器裝置方位估計1050。然後，用戶接收器裝置的處理器導出用戶接收器裝置對衛星単位矢量的運行估計1060。接下來，用戶接收器裝置的處理器測量衛星的都卜勒頻率偏移1070。然後，用戶接收器裝置的處理器使用都卜勒頻率偏移計算都卜勒範圍估計1080。在至少ー個實施例中，用戶接收器裝置使用卡爾曼濾波器計算都卜勒範圍估計。用戶接收器裝置將計算的用戶接收器裝置的運行估計維持至衛星範圍1090。儘管本文公開了某些說明性的實施例和方法， 但是對於本領域技術人員來說顯而易見的是，根據上述公開可以對這些實施例和方法作出變化和修改而不偏離所公開的技術的真實精神和保護範圍。本公開的技術存在許多其他實例，每個都只在細節上不同於其他的。因此，意圖是公開的技術應該僅限於由所附權利要求和適用法律的規定和原則所要求的範圍。
權利要求
1.ー種提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，所述方法包括 從至少一個運載工具發出至少ー個點波束到地球上； 使用所述用戶接收器裝置接收來自所述至少一個點波束的信號；和 使用所述用戶接收器裝置根據所述用戶接收器裝置在所述至少一個點波束內的位置計算所述用戶接收器裝置的位置的估計。
2.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述方法進一歩包括計算從所述至少一個運載工具到地球表面的範圍。
3.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述方法進 一歩包括計算從所述至少一個運載工具到所述用戶接收器裝置的範圍。
4.根據權利要求3所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中計算從所述至少ー個運載工具到所述用戶接收器裝置的範圍包含 測量所述至少一個運載工具的都卜勒頻率偏移； 使用卡爾曼濾波器計算都卜勒範圍估計和偽距離測量；和 計算從所述至少一個運載工具到所述用戶接收器裝置的範圍的運行估計。
5.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述方法提供地理位置算法的準確性的改進。
6.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置位於衰減環境內。
7.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置位於阻塞環境內。
8.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置位於封閉環境內。
9.根據權利要求8所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述封閉環境是在室內。
10.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述方法進ー步包括使用來自所述至少ー個運載工具的信噪比即SNR測量來進ー步細化所述用戶接收器裝置的位置的所述估計。
11.根據權利要求I所述的提供至少ー個運載工具的位置的估計的方法，其中所述至少ー個運載工具是衛星。
12.根據權利要求I所述的提供至少ー個運載工具的位置的估計的方法，其中所述至少ー個運載工具是偽衛星。
13.根據權利要求I所述的提供至少ー個運載工具的位置的估計的方法，其中所述至少ー個運載工具是太空梭。
14.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具是飛行器。
15.根據權利要求14所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述飛行器是飛機。
16.根據權利要求14所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述飛行器是無人機即UAV0
17.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具是飛船。
18.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具是直升機。
19.根據權利要求11所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述衛星是低軌道地球即LEO衛星。
20.根據權利要求11所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述衛星是中軌道地球即MEO衛星。
21.根據權利要求11所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述衛星是對地靜止地球軌道即GEO衛星。
22.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具具有已知的軌道。
23.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具具有已知的路徑。
24.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置是可移動的。
25.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置是固定的。
26.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個運載工具用至少ー個射頻即RF天線放射所述至少一個點波束。
27.根據權利要求26所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個點波束作為固定位置波束從所述至少ー個RF天線放射。
28.根據權利要求26所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述至少一個點波束作為掃描波束從所述至少ー個RF天線放射。
29.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置用至少ー個射頻即RF天線接收來自所述至少ー個點波束的信號。
30.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置使用處理器計算所述用戶接收器裝置的位置的估計。
31.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中當所述用戶接收器裝置只從ー個點波束接收信號時，所述用戶接收器裝置將所述用戶接收器裝置的位置的估計計算為位於所述ー個點波束的中心。
32.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中當所述用戶接收器裝置從至少兩個點波束接收信號時，所述用戶接收器裝置將所述用戶接收器裝置的位置的估計計算為位於所述至少兩個點波束的交集的中心。
33.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中當所述用戶接收器裝置從至少兩個點波束接收信號時，所述用戶接收器裝置計算所述用戶接收器裝置位置的估計為位於所述至少兩個點波束的中心的重心。
34.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置從所述點波束上升的時間(tKISE)到所述點波束下降的時間(tSET)記錄點波束定位。
35.根據權利要求34所述的提供用戶接收器裝置位置的估計的方法，其中當相對於所述用戶接收器裝置的全部方向上遮蔽角均勻時，假設在時間=((tSET_tKISE)/2)，所述用戶接收器裝置位於在軌方向的所述點波束的中心。
36.根據權利要求34所述的提供用戶接收器裝置位置的估計的方法，其中當遮蔽角在點波束上升方向和點波束下降方向上不均勻時，假設在時間=((AtTrae)/2)，其中(Atftue)/2= ( Δ tEcverMeasured+ Δ t β Bias) /2，所述用戶接收器裝置位於在軌方向的所述點波束的中心。
37.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置使用接收的所述至少一個點波束的振幅計算所述用戶接收器裝置的位置的所述。
38.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置對隨時間計算的所述用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均，以進ー步細化所述用戶接收器裝置的位置的估計。
39.根據權利要求38所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置使用卡爾曼濾波器，以對所述用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均。
40.根據權利要求38所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置使用匹配濾波器，以對所述用戶接收器裝置的位置的兩個或更多估計求平均。
41.根據權利要求I所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法，其中所述用戶接收器裝置的位置的估計由全球定位系統即GPS使用，以有助於快速獲得所述GPS信號。
42.ー種提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，所述系統包含 至少ー個運載工具，其中所述至少一個運載工具發射至少ー個點波束到地球上；和 所述用戶接收器裝置，其中所述用戶接收器裝置包含 至少ー個射頻即RF天線,其中所述至少ー個RF天線接收所述 至少ー個點波束；和 處理器，其中所述處理器根據所述用戶接收器裝置在所述至少 一個點波束內的位置計算所述用戶接收器裝置的位置的估計。
43.根據權利要求42所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述用戶接收器裝置進ー步包含 本地時鐘；和 存儲器，其中所述存儲器適於存儲隨時間記錄的相繼點波束識別信息。
44.根據權利要求42所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述處理器能夠計算所述至少一個運載工具的都卜勒頻率偏移。
45.根據權利要求42所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述用戶接收器裝置進ー步包含內部軌道模型。
46.根據權利要求45所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述用戶接收器裝置經由來自所述至少ー個運載工具的傳輸接收軌道數據信息。
47.根據權利要求45所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述用戶接收器裝置經由來自所述至少ー個運載工具的傳輸接收軌道Λ修正信息。
48.根據權利要求45所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述用戶接收器裝置經由來自基於地球的網絡的傳輸接收軌道Λ修正信息。
49.根據權利要求48所述的提供用戶接收器裝置的位置的估計的系統，其中所述基於地球的網絡是蜂窩網絡。
全文摘要
公開了用於提供用戶接收器裝置的位置的估計的方法和系統。該方法和系統涉及從至少一個運載工具發出至少一個點波束到地球上，並且使用用戶接收器裝置從至少一個點波束接收信號。在一個或更多實施例中，至少一個運載工具可以是衛星和/或偽衛星。該方法和系統進一步涉及使用用戶接收器裝置根據用戶接收器裝置在至少一個點波束內的位置計算用戶接收器裝置的位置的估計。在一些實施例中，當用戶接收器裝置從至少兩個點波束接收信號時，用戶接收器裝置計算用戶接收器裝置的位置的估計為位於至少兩個點波束的交集的中心。
文檔編號H04B7/15GK102859901SQ201180018040
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者D·A·惠蘭, G·M·格特, R·W·布倫利, M·L·埃格林頓, C·J·馬騰斯, A·T·哈達德, R·R·施馬爾茨裡德 申請人:波音公司