專利名稱：精確地理定位的方法和裝置的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及進(jìn)行地理定位的方法和系統(tǒng)，并且更具體地涉及通過非靜止地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行全球地理定位的方法和系統(tǒng)。
發(fā)明的背景定位并跟蹤人和設(shè)備的能力具有眾多的法律實施，商業(yè)和消費應(yīng)用。通過開發(fā)能夠滿足所有這些應(yīng)用的多種需求的基本技術(shù)，可以獲得低單位成本高容量的產(chǎn)品，比如，提供一種大幅度降低軍警工作的成本并提高效力的買得起的守備技術(shù)。
例如，一種應(yīng)用包括監(jiān)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(xù)電子監(jiān)視并報告假釋犯，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。由于要求是身體佩帶的裝置，所以嚴(yán)重地限制了工作頻率的選擇。每年$21000的監(jiān)禁成本，估計一年用于監(jiān)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，即墜落的飛行員不愿發(fā)送(信號)，因為害怕信號被截獲并且危及到他的位置。一些建議，如Combat Survivor和Evader/LocatorProgram，要求GPS發(fā)出的坐標(biāo)是加密的，然后通過安全的鏈路發(fā)送。這種方法要求提供GPS接收機(jī)所需的體積，成本和動力，以及隨之而來的加密設(shè)備。
另外，人的跟蹤必須在建筑物內(nèi)，建筑物外，廣闊區(qū)域上，使用低成本通信鏈路和長壽命電池來進(jìn)行。而全球定位系統(tǒng)(GPS)由于NAVSTAR系統(tǒng)的全球特性，可以很好地適用于戶外和廣闊區(qū)域上的導(dǎo)航和定位，卻由于GPS信號不能穿透建筑物而不能滿足戶內(nèi)的要求。
此外，許多現(xiàn)有技術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)，如全球定位系統(tǒng)(GPS)，GLONASS,LORAN,OMEGA,TACAN，等等是眾所周知。利用這些現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)，將導(dǎo)航單元與發(fā)射機(jī)結(jié)合在一起中繼位置報告的同時，這些發(fā)射機(jī)將會很大程度地增加移動單元的成本，復(fù)雜度，體積，重量和功耗。同時，這也將使得(移動)單元不便于個人操作。另外，上面提到的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)更多地用于戶外軍用交通工具(艦艇，坦克，飛機(jī))導(dǎo)航功能，而不是戶內(nèi)以及個人地理定位功能。
另外，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)行它們的地理定位功能時，使用兩個或更多的相距很遠(yuǎn)的發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)平臺?；谛l(wèi)星的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的的情況下，至少要有3顆，優(yōu)選地是4顆衛(wèi)星同時位于地理定位接收機(jī)的視域之內(nèi)以得到位置解。最后，使用現(xiàn)有技術(shù)基于衛(wèi)星的系統(tǒng)不能穿透建筑結(jié)構(gòu)，厚植被，或被遮蔽的地區(qū)。
因此，本發(fā)明面向這些問題，開發(fā)不要求大的移動設(shè)備或多顆衛(wèi)星，并且能夠工作在戶內(nèi)和多種環(huán)境下的，進(jìn)行增強(qiáng)的全球地理定位的方法和裝置。
發(fā)明的概述本發(fā)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，并且將這個誤差矢量用于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(fā)明只依靠單一衛(wèi)星，并且不需要基于GPS的接收機(jī)/發(fā)射機(jī)，保證了小體積和小功率，并且可以工作在能夠穿透各種環(huán)境的頻率下，同時提供精確的位置測量。
根據(jù)本發(fā)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(shù)估計移動單元的位置，并且將誤差矢量用于移動單元的位置估計，以確定移動單元的最后位置。
根據(jù)本發(fā)明的一個有利實施例，為了確定參考單元的位置并且估計移動單元的位置，本發(fā)明測量從地面單元發(fā)送到衛(wèi)星的信號中的多普勒頻移，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(fā)送到衛(wèi)星的信號的到達(dá)時間確定地面單元可能所處的地球表面的第二位置曲線，并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(jù)本發(fā)明，基于從低地軌道衛(wèi)星--該衛(wèi)星位于已知的地球軌道發(fā)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(qū)域上移動--的系統(tǒng)，包括命令中心，將地理定位信息以及其它數(shù)據(jù)從命令中心發(fā)射到移動單元的發(fā)射機(jī)，接收從移動單元通過低地軌道衛(wèi)星到命令中心的多普勒頻移，到達(dá)時間和到達(dá)角度數(shù)據(jù)以及其它數(shù)據(jù)的接收機(jī)，和位于命令中心的測量/地理定位業(yè)務(wù)處理器。這樣，處理器確定多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，多個地理定位參數(shù)的到達(dá)角度分量，以及在移動單元和低地軌道衛(wèi)星之間傳播的移動單元發(fā)射機(jī)信號的近似位置。命令中心包括接收有關(guān)多個固定參考站的差分?jǐn)?shù)據(jù)和移動單元的近似位置的接收機(jī)。處理器基于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(dāng)前與移動單元位于同一個衛(wèi)星的視域中的固定參考站，并且結(jié)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?jǐn)?shù)據(jù)，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(shù)和位置以及通過陸地?zé)o線傳輸系統(tǒng)或Internet數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送的其它數(shù)據(jù)計算精確位置。
附圖的簡要描述

圖1圖示說明在本發(fā)明中使用的LEO衛(wèi)星星座圖的LEO衛(wèi)星全球覆蓋。
圖2圖示說明在本發(fā)明中使用的衛(wèi)星星座圖的LEO衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)。
圖3表示本發(fā)明的地理定位系統(tǒng)。
圖4表示本發(fā)明的移動收發(fā)機(jī)單元。
圖5圖示說明在本發(fā)明中使用的距離測量技術(shù)。
圖6圖示說明在本發(fā)明中使用的多普勒測量技術(shù)。
圖7表示本發(fā)明的綜合距離和多普勒測量。
圖8圖示說明本發(fā)明的移動單元定位算法。
圖9表示本發(fā)明的糾錯矢量方法。
圖10表示差分多普勒基站的典型放置地圖。
詳細(xì)描述描述了提供改進(jìn)的基于衛(wèi)星的跟蹤系統(tǒng)的方法和裝置。該方法使用位置確知的參考發(fā)射機(jī)提供糾錯矢量，該矢量可以用來改善未知位置發(fā)射機(jī)的位置估計。
確定地面發(fā)射機(jī)位置的技術(shù)稱為地理定位。為了地理定位，要通過衛(wèi)星地面站和地球軌道上的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器查詢發(fā)射機(jī)/接收機(jī)(收發(fā)機(jī))。一旦接收到衛(wèi)星廣播的收發(fā)機(jī)唯一標(biāo)識碼，收發(fā)機(jī)將通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將它的標(biāo)識碼發(fā)回衛(wèi)星地面站。環(huán)路響應(yīng)時間用于計算衛(wèi)星到收發(fā)機(jī)的距離。衛(wèi)星在非靜止軌道上運(yùn)動造成的接收信號多普勒頻移用于計算信號到衛(wèi)星的到達(dá)角。距離和到達(dá)角結(jié)合在一起計算收發(fā)機(jī)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(fā)機(jī)重復(fù)。對參考收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的位置估計和一個預(yù)先已知的參考收發(fā)機(jī)位置進(jìn)行比較。估計位置和參考端的已知位置之差產(chǎn)生誤差矢量。這個誤差矢量用于對所有預(yù)先未知位置收發(fā)機(jī)的位置估計，提高對那些收發(fā)機(jī)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(fā)明包括一個可以通過低地軌道(LEO)衛(wèi)星跟蹤的腕表大小的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。本發(fā)明依靠一顆衛(wèi)星進(jìn)行地理定位而不是移動單元--一個實施例是腕戴手表發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，因而消除了以前系統(tǒng)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(fā)射機(jī)/接收機(jī)。在飛行器中的應(yīng)用，本發(fā)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。最后，移動單元被設(shè)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于人員的狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的細(xì)節(jié)，發(fā)射機(jī)可以制造成低功率，即小于1瓦。此外，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使得電池壽命是大約30天。
本發(fā)明使用的衛(wèi)星系統(tǒng)獨立于全球定位系統(tǒng)(GPS)來確定位置，并且提供軍用定位能力，以及在不廣播位置坐標(biāo)集的情況下向命令中心報告位置的裝置。為了避免他人監(jiān)測廣播，本發(fā)明使用安全的擴(kuò)頻通信。
本發(fā)明廉價地定位以前標(biāo)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(wù)中受傷或其它情況需要被跟蹤，衛(wèi)星就會查詢本發(fā)明的移動單元來確定用戶的位置。這并不要求用戶的動作。衛(wèi)星和用戶的移動單元的通信是使用固有的安全擴(kuò)頻通信，因而避免了偷聽者收聽。由于沒有廣播位置(信息)，因而沒有什么可收聽的。位置確定是在衛(wèi)星地面站進(jìn)行的，然后通知救援者或為跟蹤應(yīng)用提供監(jiān)視。
以下所發(fā)生的事件鏈用于接收到請求后定位用戶。首先，用戶用一個請求呼叫本發(fā)明的系統(tǒng)。隨后，地面站通知衛(wèi)星廣播收發(fā)信機(jī)的標(biāo)識碼。移動單元接收到這個廣播并發(fā)送一個響應(yīng)。衛(wèi)星將移動單元的信號重發(fā)送回地面站，然后地面站計算位置。
到收發(fā)信機(jī)的下行鏈路在S波段(2500MHz)中，而來自收發(fā)信機(jī)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(fā)明中使用了碼分多址(CDMA)直接序列擴(kuò)頻方案以允許同時存在多個分離的發(fā)射機(jī)。這對低廉地服務(wù)大量消費者市場并且提供安全通信是很重要的。
本發(fā)明使用60和70年代U.S.Navy Transit Navigation SatelliteSystem開發(fā)的多普勒地理定位技術(shù)。這個系統(tǒng)被NAVSTAR/GPS衛(wèi)星替代用于導(dǎo)航。本發(fā)明使用多普勒技術(shù)是因為它簡單并且廉價，同時可以提供滿意的位置精度。為了提高該技術(shù)的精度，本發(fā)明添加了差分多普勒技術(shù)，這將在下面討論。
多普勒技術(shù)依靠衛(wèi)星和移動單元之間的頻移。由于衛(wèi)星沿地球軌道運(yùn)動，可以檢測到所接收的來自地面發(fā)射機(jī)信號的頻移。由于衛(wèi)星和發(fā)射機(jī)之間的相對速度產(chǎn)生的多普勒頻移代表為發(fā)射機(jī)必須位于的一個錐面。假設(shè)發(fā)射機(jī)位于地球表面，這就排除了錐面上的大多數(shù)可能點。結(jié)果一次多普勒測量就確定了一條位置線，這就是錐面和地球的交線。
很短的時間間隔之后(例如，1分鐘)，進(jìn)行第二次多普勒測量，確定第二條位置線。這兩條所產(chǎn)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(shù)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(fā)明使用偽距離修正技術(shù)確定移動單元的位置。
通過結(jié)合上述多普勒技術(shù)和距離修正技術(shù)，本發(fā)明只使用一顆衛(wèi)星就能夠提供瞬時定位。多普勒定位已經(jīng)被NAVSTAR GPS所替代，因為它不能跟蹤高速移動的物體，如飛行器。對于本發(fā)明，如定位個人，通常人不會高速移動，因此結(jié)合多普勒和偽距離修正技術(shù)將有效地工作。
為了進(jìn)一步提高精度，本發(fā)明使用差分多普勒技術(shù)，依靠提供兩個固定位置收發(fā)信機(jī)進(jìn)行上述方案的運(yùn)作。第二個收發(fā)信機(jī)位于固定的已知參考位置。當(dāng)衛(wèi)星飛過工作區(qū)域，未知收發(fā)信機(jī)和參考收發(fā)信機(jī)都會被查詢。參考標(biāo)記的多普勒測量提供一個糾錯矢量用于未知標(biāo)記的位置估計。使用這種差分多普勒方案，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(fā)信機(jī)就可以服務(wù)廣大的區(qū)域。由于糾錯矢量的精度會由于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(shù)的精度。幸運(yùn)的是，衛(wèi)星上很小的角度差就可以在地球表面產(chǎn)生很大的空間差異。因此，一個固定的參考收發(fā)信機(jī)可以滿足幾百英里半徑內(nèi)的精確定位。上述方案提供定位精度將在100米之內(nèi)的。
本發(fā)明最小化移動單元收發(fā)機(jī)的工作要求，因此使腕表大小的單元成為可能。這種可能性是由于衛(wèi)星進(jìn)行地理定位而不是將這些要求(加上GPS)強(qiáng)加到移動單元。
本發(fā)明中使用的衛(wèi)星是低地或中地軌道衛(wèi)星，這樣可以獲得較高的仰角。另外，只需要較小的發(fā)射機(jī)功率而且全向天線不需要跟蹤天線。
基于低地軌道衛(wèi)星的數(shù)字電信系統(tǒng)的一個例子是Globalstar。它提供電話和其它數(shù)字電信業(yè)務(wù)，如數(shù)字傳輸，尋呼和傳真。Globalstar業(yè)務(wù)將通過高度1419公里的48衛(wèi)星星座圖提供。Globalstar將在1997年后半年發(fā)射衛(wèi)星，并將在1998年開始最初的商業(yè)運(yùn)行。在美國，Globalstar授權(quán)使用擴(kuò)頻通信工作在L和S波段。Odyssey本質(zhì)上與Globalstar一樣，除了衛(wèi)星處于更高的高度。該系統(tǒng)計劃在2000啟動。
圖1表示低地軌道衛(wèi)星的全球覆蓋，和單一衛(wèi)星的覆蓋區(qū)200。本發(fā)明中使用的衛(wèi)星是一系列繞地球軌道運(yùn)行的低地軌道衛(wèi)星中的一顆。為了將衛(wèi)星彼此區(qū)分，每個衛(wèi)星被分配了一個唯一的標(biāo)識號。衛(wèi)星的放置滿足地球上的每一點都至少位于一顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域中。在適當(dāng)?shù)木暥龋恳稽c可以看到多顆衛(wèi)星。星座圖中的每顆衛(wèi)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(wèi)星波束覆蓋區(qū)200和與之相關(guān)的點波束202。
系統(tǒng)綜述圖3表示的是本發(fā)明用于地理定位功能的系統(tǒng)。如圖3中所示，系統(tǒng)300包括一個衛(wèi)星地面站302，一個低地軌道衛(wèi)星304，一個參考收發(fā)機(jī)單元306和一個移動收發(fā)機(jī)單元310。兩個收發(fā)機(jī)306,310是相同的，除了參考收發(fā)機(jī)306被放置在已知的位置上，而移動收發(fā)機(jī)310可以移動到地球上的任意點。本發(fā)明的系統(tǒng)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。同樣位于地面上的衛(wèi)星地面站網(wǎng)關(guān)302，通過RF通信信道308與視域中的低地軌道衛(wèi)星304進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
根據(jù)本發(fā)明，不限制移動單元310的數(shù)量。因此，移動單元310的數(shù)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，并且包括相對小的天線。根據(jù)本發(fā)明，地理定位系統(tǒng)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(fā)明的移動單元310在適當(dāng)?shù)恼畽C(jī)構(gòu)所分配的頻率上與衛(wèi)星304通信。這些頻率在不同的國家可能是不同的，但是，這些頻率對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是眾所周知的，因此在這里不必提供它們的細(xì)節(jié)。
圖2表示衛(wèi)星點波束202在地球表面形成的LEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)200。每個點波束204-232都是由一個衛(wèi)星沿著衛(wèi)星覆蓋區(qū)200移動形成的。圖1表示整個衛(wèi)星星座圖的全球覆蓋。
衛(wèi)星覆蓋區(qū)200中的每個點波束204-232都占有衛(wèi)星覆蓋區(qū)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(biāo)識碼來彼此區(qū)分。因此，可以通過確定移動單元位于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(wèi)星的位置，它的位置通?？梢酝ㄟ^對已知軌道運(yùn)動計算來獲得并跟蹤。如業(yè)界所知，通過結(jié)合衛(wèi)星覆蓋區(qū)200中的點波束位置204-232以及衛(wèi)星的位置，可以在大范圍內(nèi)確定移動單元在地球上的位置。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過唯一點波束204-232確定的位置信息可以用在如差分多普勒這樣的地理定位測量中進(jìn)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(shù)學(xué)預(yù)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(fā)機(jī)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(jī)404，數(shù)字信號處理器406，參考晶體408，本地振蕩器410，發(fā)射機(jī)412，電源/電池414和發(fā)射天線416。接收機(jī)404通過接收天線402接收來自低地軌道衛(wèi)星的信號，接收機(jī)404將這些信號送到數(shù)字信號處理器406，數(shù)字信號處理器將接收的電磁能量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并且進(jìn)行所有數(shù)據(jù)解調(diào)和處理。數(shù)字信號處理器406還完成移動單元310的所有控制和狀態(tài)功能，并且控制所有接收參數(shù)，如頻率，定時，多普勒跟蹤等等。數(shù)字信號處理器406還連接到發(fā)射機(jī)412，并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電磁能量而且完成所有調(diào)制，用于通過發(fā)射天線416將信號發(fā)射到低地軌道衛(wèi)星。數(shù)字信號處理器406還控制所有發(fā)射參數(shù)，如頻率，定時等。本地振蕩器410在非常穩(wěn)定的參考晶體408的控制下，提供接收和發(fā)射數(shù)據(jù)所需的基本頻率。
到達(dá)時間的計算參考圖5，距離球面501代表發(fā)射機(jī)310的信號到達(dá)衛(wèi)星304的時間。由于電磁信號以等于光速的恒定速度傳播，所以給出的傳播持續(xù)時間就意味著信號源一定位于半徑等于傳播持續(xù)時間乘以光速，中心位于接收信號點的球面上。在本發(fā)明中，電磁信號源可以是位于地球表面503的移動單元310，而信號可以在繞地球軌道運(yùn)行的衛(wèi)星304上接收。因此，到達(dá)時間圓表示中心是衛(wèi)星304，半徑等于光速乘以傳播持續(xù)時間的球面和地球表面的交線。這在圖5中示出，其中到達(dá)時間圓501確定衛(wèi)星304和移動單元310之間的距離。
一般情況下，空間點坐標(biāo)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(dāng)只進(jìn)行一次測量時，移動單元310可以位于半徑等于距離502并且衛(wèi)星位于半球501(或球)中心的半球面501(或球面)上的任意位置。當(dāng)對兩個已知點進(jìn)行距離測量時，移動單元可以位于兩個半球(或球)的交線509上的任意位置，而當(dāng)對三個非共面已知點進(jìn)行距離測量時，三個半球(或球)相交的唯一點即對應(yīng)著移動單元310的位置。這提供了帶有三個未知數(shù)的三個方程。如果地球也作為一個球，那么只要進(jìn)行兩次測量，移動單元的位置就位于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(xù)時間和地球表面的交線是一個中心位于星地軌道上的圓，衛(wèi)星最低點方向與地球表面相交。較長的傳播持續(xù)時間所得到的圓具有較大的半徑。所確定的到達(dá)時間曲線表示的圓描述了測量記錄中指示的傳播持續(xù)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(fā)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(chǎn)生位置弧線505,507。地面上的發(fā)射機(jī)310必須位于這個位置弧線505,507上以便產(chǎn)生在衛(wèi)星上測量的到達(dá)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(jù)本發(fā)明，衛(wèi)星處的信號到達(dá)時間是通過從衛(wèi)星地面站302發(fā)送信號，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器304，到發(fā)射機(jī)310，指示發(fā)射機(jī)310應(yīng)答一個確認(rèn)(一次查詢)來測量的。所測量的總時延包括從地面站302到衛(wèi)星304的傳輸時間，轉(zhuǎn)發(fā)器時延，和從衛(wèi)星304到地面上的收發(fā)機(jī)310的傳輸時間。因為衛(wèi)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(wèi)星304的傳輸時間。同樣，轉(zhuǎn)發(fā)器時延也可以通過距離修正校準(zhǔn)測量獲得。因此在衛(wèi)星304處的信號到達(dá)時間是可以確定的。
使用多普勒頻移計算到達(dá)角圖6表示根據(jù)本發(fā)明使用一個衛(wèi)星304的地理定位過程的一部分。本發(fā)明的地理定位系統(tǒng)在接收到涉及移動單元310的測量記錄時激活有關(guān)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多普勒分量數(shù)據(jù)的到達(dá)頻率拋物線。這個到達(dá)頻率拋物線或位置線616在圖6中表示。由于衛(wèi)星304繞地球軌道運(yùn)行并且移動單元310位于地球表面503，所以衛(wèi)星304相對移動單元310的運(yùn)動方向是連續(xù)變化的。因為這個方向連續(xù)變化，而衛(wèi)星的軌道速度保持相對恒定，所以衛(wèi)星相對于移動單元310的徑向速度分量連續(xù)變化。在任何瞬時，衛(wèi)星304具有特定的速度或距離速率矢量614。作為連續(xù)速度變化的結(jié)果，相對地球表面上的固定移動單元310的多普勒分量連續(xù)變化。信號的多普勒頻移表現(xiàn)為一個以衛(wèi)星速度矢量614為中心，與速度矢量614的夾角和多普勒頻移成比例的錐面610。從以衛(wèi)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多普勒分量。
在進(jìn)行多普勒測量時，移動單元310的位置必須位于多普勒錐面610上的某個位置。如果假設(shè)移動單元310位于地球的球狀表面上，移動單元310將會位于多普勒錐面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(wèi)星304的地面軌道為中心并從衛(wèi)星304延伸的拋物線上的任意點都可以報告一個給定的多普勒分量。較高的多普勒速率導(dǎo)致較窄的拋物線，而當(dāng)零多普勒效應(yīng)時--這發(fā)生在衛(wèi)星304位于頭頂正上方--多普勒曲線具有無限的寬度并且本質(zhì)上是一條垂直星地軌道的直線。到達(dá)頻率曲線表示描述測量記錄中所指示的多普勒分量的曲線。如果第二多普勒測量在隨后的某個時間點進(jìn)行(圖6B)，就將確定第二條位置拋物線616b。兩次多普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。在這里指出了兩次多普勒測量，其中只有一次是本發(fā)明的地理定位過程所必須的。
多普勒錐面610是通過測量接收信號的多普勒頻移產(chǎn)生的。在轉(zhuǎn)發(fā)器的實施中，在衛(wèi)星304和地面站302之間的傳輸中有一個已知的第二多普勒頻移。由于衛(wèi)星304的位置和速度是已知的，這個第二多普勒頻移可以除去以計算衛(wèi)星304接收的信號的多普勒頻移。
多普勒和距離聯(lián)合測量參考圖7，它表示了距離和多普勒聯(lián)合測量，多普勒錐面610和距離測量的位置圓周705相交產(chǎn)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多普勒和距離聯(lián)合測量確定。假設(shè)收發(fā)機(jī)單元310位于地球表面503上，多普勒錐面610和距離球面501將相交于地球表面上兩個可能的收發(fā)機(jī)單元位置701,703。到達(dá)頻率曲線和到達(dá)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。對于給定的衛(wèi)星通道和移動單元和衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系，這兩個位置將處于與星地軌道垂直的同一條直線上，并且距離速率(即多普勒頻移)在最近時間點將是零。這兩個點中的一個位于地面軌道的右側(cè)，而另一個位于地面軌道的左側(cè)。地面軌道代表多普勒效應(yīng)的對稱軸，由于地球自轉(zhuǎn)，它與真實的星地軌道有一個偏移量。在不考慮地球自轉(zhuǎn)的情況下，這兩個位置是不可區(qū)分的。然而，地球自轉(zhuǎn)將改變多普勒特性，產(chǎn)生分辨的不確定性。如果有兩個或更多的衛(wèi)星傳送數(shù)據(jù)，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(wèi)星ID號和移動單元310位于波束覆蓋小區(qū)ID號204-232中的哪一個來解決。在測量中，使用小區(qū)ID位置參數(shù)可以解決不確定性。
參考圖2，圖中示出了一個低地軌道衛(wèi)星波束覆蓋200和多個點波束202。當(dāng)進(jìn)行位置測量時，點波束202與位置的距離和多普勒線相交在大多數(shù)情況下將產(chǎn)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(qū)分出來。解兩個位置解的其它技術(shù)可以從簡單考慮上次報告的位置的方法，到更復(fù)雜的方法，如在位置解中考慮地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動的影響。后一種技術(shù)當(dāng)前用于搜索和救援衛(wèi)星系統(tǒng)(SARSAT)，以及Argos環(huán)境研究衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)。
地理定位方法現(xiàn)在翻到圖8，它描述了本發(fā)明的方法800。本發(fā)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(fā)機(jī)的位置(1)通過收發(fā)機(jī)的響應(yīng)時間測量參考收發(fā)機(jī)的距離(803),(2)通過多普勒頻移測量參考收發(fā)機(jī)的到達(dá)角(805)。在兩次測量完成之后，計算位置(807)。
其次，通過比較參考收發(fā)機(jī)的已知位置和在第一部分中確定的位置，產(chǎn)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(fā)機(jī)的位置，即(1)通過收發(fā)機(jī)的響應(yīng)時間測量參考收發(fā)機(jī)的距離(811)；(2)通過多普勒頻移測量參考收發(fā)機(jī)的到達(dá)角(813)。計算未知位置收發(fā)機(jī)的位置估計(815)。
最后，將誤差矢量運(yùn)用于估計的位置以獲得未知位置收發(fā)機(jī)的最后位置(817)。
參考圖9，查詢參考收發(fā)機(jī)時測量的糾錯矢量903，用于在局部區(qū)域內(nèi)糾正移動用戶收發(fā)機(jī)的位置。這種技術(shù)的優(yōu)點是，通過同時測量參考收發(fā)機(jī)的位置和移動收發(fā)機(jī)的位置，可以去除與這兩次測量相關(guān)的任何誤差。相關(guān)的誤差包括所有系統(tǒng)誤差，如衛(wèi)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(fā)機(jī)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。然后，在初始位置估計911的基礎(chǔ)上，用糾錯矢量903糾正用戶收發(fā)機(jī)310的位置，得到改進(jìn)的位置估計907。
翻到圖10，它表述了位于具有代表性的五州地區(qū)的可能的參考收發(fā)機(jī)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(fā)明的地理定位技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)差或其它統(tǒng)計方差項表示的隨機(jī)誤差。在確定已經(jīng)獲得了足夠的位置精度前可以多進(jìn)行幾次位置計算。可以對給定的移動單元310進(jìn)行重復(fù)測量以獲得更多的測量值。這樣，定位過程可以進(jìn)行多次測量以獲得平均的結(jié)果。從多個位置參數(shù)集中確定的平均位置估計可以減小位置估計中的不準(zhǔn)確性，從而提高定位精度。
如上所述確定了位置之后，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(shù)，表征位置參數(shù)的方差項和當(dāng)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(dāng)誤差最小時，這個橢圓將更圓，并且覆蓋相對小的區(qū)域。當(dāng)誤差變大時，橢圓的區(qū)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于多種地理定位技術(shù)和對與每種技術(shù)相關(guān)的地理定位誤差的估計的唯一組合。這些定位技術(shù)和它們各自的誤差是由衛(wèi)星工作軌道動態(tài)和幾何，信噪比的測量和它們的精度，由GPS誤差導(dǎo)致的衛(wèi)星304的位置(從這個位置可以得到衛(wèi)星的星歷)誤差，衛(wèi)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(dá)頻率和到達(dá)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(yīng)運(yùn)作概念的模型并提供方均根(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(shù)以獲得實際測量的期望值，并對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。
這個模型的主要優(yōu)點是使用了實際地理定位處理算法，用統(tǒng)計分布表示誤差源。通過調(diào)整誤差分布并去除偏置來校準(zhǔn)誤差分析。使用差分地理定位技術(shù)提供作為運(yùn)行方案的一個函數(shù)來確定算法性能的機(jī)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(tǒng)計上是匹配的?？梢哉{(diào)整誤差分布并去除偏置以充分地反應(yīng)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(xiàn)可以作為測量持續(xù)時間的函數(shù)來確定。
建立移動單元地理定位精度的方法將聯(lián)合來自各種地理定位技術(shù)的誤差因子。在計算中，偏置被去除而產(chǎn)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(zhuǎn)換為正交RMS誤差。在聯(lián)合相互獨立的方差時，相關(guān)的所估計和正交RMS誤差將被投影到一個普通的直角坐標(biāo)系中，并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(biāo)軸平方。
絕對移動單元地理定位誤差的RMS是通過聯(lián)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(shù)，相關(guān)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(shù)誤差投影到普通的歐氏坐標(biāo)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(quán)(通過投影的積，如果有RMS誤差)距離建立的。在每個坐標(biāo)上得到的移動單元位置估計的RMS參數(shù)誤差由N(∑i-1Nσi-1)-1給出，其中N是使用的軌跡的數(shù)目，σi是RMS參數(shù)在估計的移動單元位置沿軌跡(i到N)的法線坐標(biāo)上的誤差。請注意，估計中使用的RMS誤差權(quán)重和產(chǎn)生的RMS參數(shù)誤差依賴于測量的沿軌跡的法線通過估計點的RMS誤差值，因此導(dǎo)致誤差與距離有關(guān)的分布。由于在計算法線時不確定性可能出現(xiàn)在所使用的軌跡面的分支上，所以應(yīng)該使用移動單元的真實位置。
到達(dá)頻率曲線和到達(dá)時間曲線相交成直角的位置將在多普勒分量和傳播持續(xù)時間測量上具有小的誤差，從而產(chǎn)生小的地理定位誤差。這些位置遠(yuǎn)離衛(wèi)星最低點方向與地球表面的相交處。到達(dá)頻率曲線與到達(dá)時間圓切向相交越厲害，小的測量誤差就越易導(dǎo)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于平行星地軌道的方向。
在確定誤差橢圓后，可以獲得與位置定位測量相關(guān)的位置精度參數(shù)。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。此后是確定誤差是否小于位置精度。如果誤差橢圓中一塊預(yù)定比例的區(qū)域可以落入CEP中，誤差就小于位置精度。除非誤差橢圓的區(qū)域充分地限制在CEP中，否則就需要進(jìn)一步求精。如果誤差不小于允許的誤差，測量過程將被指示進(jìn)行另一次測量。這種求精將導(dǎo)致誤差橢圓的區(qū)域收縮。在某些點，誤差橢圓收縮為一個點，該點確定誤差小于位置精度。在這點，地理定位系統(tǒng)不再要求對移動單元310的位置求精，公布位置，并且將過程終止。
內(nèi)容因為本發(fā)明獨立于GPS，因此不需要GPS接收機(jī)的體積，功耗和成本。差分GPS要求每部GPS接收機(jī)都要接收到另外一個參考信號以便接收機(jī)操作。通過在中央衛(wèi)星地面站計算收發(fā)機(jī)的位置，本發(fā)明的收發(fā)機(jī)可以保持簡單，廉價并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(jī)。
此外，GPS要求同時從多個衛(wèi)星接收到信號以計算位置。本發(fā)明中使用的距離和多普勒聯(lián)合技術(shù)只要求與一個非靜止軌道衛(wèi)星通信。因此，在只有一條衛(wèi)星鏈路的情況下，距離和多普勒聯(lián)合技術(shù)可以獲得位置估計，而GPS不能。
權(quán)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于的第一曲線；b)獲得移動單元在地球上可能位于的第二曲線；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(zhí)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(chǎn)生誤差矢量；以及f)將該誤差矢量應(yīng)用于移動單元的位置估計以獲得移動單元的位置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于獲得第一曲線的步驟a)包括以下子步驟(ⅰ)在衛(wèi)星上確定來自移動單元的信號的到達(dá)時間；(ⅱ)從信號的到達(dá)時間計算移動單元必須位于的一個球面；和(ⅲ)從球面和地球的交線獲得第一曲線。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于獲得第二曲線的步驟b)包括以下子步驟(ⅰ)在衛(wèi)星上確定來自移動單元的信號的到達(dá)角；(ⅱ)從信號的到達(dá)角計算移動單元必須位于的一個錐面；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(wèi)星并且具有至少一個和所述低地軌道衛(wèi)星通信的移動單元的地理定位系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟使用上述低地軌道衛(wèi)星在該低地軌道衛(wèi)星和上述移動單元之間通信，該低地軌道衛(wèi)星將來自移動單元的電磁信號轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)地面站終端而不對該電磁信號做進(jìn)一步處理；在上述低地軌道衛(wèi)星和上述移動單元之間通信以獲得一組地理定位參數(shù)；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(guān)的誤差；通過在低地軌道衛(wèi)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(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的多普勒頻移測量中獲得的。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的到達(dá)時間測量中獲得的。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的到達(dá)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(wèi)星星座圖中一顆衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號的地理定位系統(tǒng)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(wèi)星相對其它移動單元和低地軌道衛(wèi)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(qū)域上的固定測量站點分布多個參考站轉(zhuǎn)發(fā)器；b)通過在衛(wèi)星地面站測量移動單元發(fā)射機(jī)信號的第一多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，第一多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，和第一多個地理定位參數(shù)的到達(dá)角度分量確定移動單元的近似位置；c)通過在衛(wèi)星地面站測量移動單元發(fā)射機(jī)信號的第二多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，第二多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，和第二多個地理定位參數(shù)的到達(dá)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(yīng)用于步驟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(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于還包括以下步驟f)通過一顆低地軌道衛(wèi)星指示移動單元發(fā)射機(jī)發(fā)射。
10．根據(jù)權(quán)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(jīng)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(jīng)度。
11．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述的比較步驟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(yīng)于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(jīng)度和近似經(jīng)度之間的第二差值，提供相應(yīng)于所述第二差值的幅度和東或者西方向上的差分經(jīng)度修正。
12．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述應(yīng)用差分誤差矢量的步驟e)包括聯(lián)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(lián)合移動單元近似經(jīng)度和上述差分經(jīng)度修正獲得修正的移動單元經(jīng)度。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述應(yīng)用步驟e)是由命令中心進(jìn)行的。
14．根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于還包括在移動單元接收廣播的標(biāo)識碼并且將廣播的標(biāo)識碼和移動單元中存儲的標(biāo)識碼相比較的步驟。
15．在低地軌道衛(wèi)星發(fā)射的信號的基礎(chǔ)上高精度確定移動單元的位置的系統(tǒng)，該衛(wèi)星放置在確知的地球軌道上，移動單元能夠在整個地理區(qū)域中有選擇地移動，所述系統(tǒng)包括a)一個命令中心；b)從命令中心向移動單元發(fā)射地理定位信息和其它數(shù)據(jù)的發(fā)射機(jī)；c)接收從移動單元通過多個低地軌道衛(wèi)星到命令中心的多普勒頻移，到達(dá)時間和到達(dá)角度數(shù)據(jù)，以及其它數(shù)據(jù)的接收機(jī)；和d)位于命令中心中的測量/地理定位/業(yè)務(wù)處理器，該處理器確定多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，多個地理定位參數(shù)的到達(dá)角度分量，和傳播于移動單元與低地軌道衛(wèi)星之間的移動單元發(fā)射機(jī)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?jǐn)?shù)據(jù)和上述移動單元的近似位置的接收機(jī)，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(chǔ)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(wèi)星的視域內(nèi)的固定參考站，并且所述處理器聯(lián)合移動單元的近似位置和來自確定的一個差分站的差分?jǐn)?shù)據(jù)，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于的第一曲線，以及參考單元在地球上可能位于的第一曲線的第一裝置；b)獲得移動單元在地球上可能位于的第二曲線，以及參考單元在地球上可能位于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(chǎn)生誤差矢量的裝置；以及e)將該誤差矢量應(yīng)用于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(jù)權(quán)利要求16的裝置，其特征在于第一獲取裝置還包括在衛(wèi)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(dá)時間的裝置；通過參考單元的信號到達(dá)時間計算移動單元必須位于的球面，并且通過參考單元的信號到達(dá)時間計算參考單元必須位于的球面的裝置；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，并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(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于第二獲得裝置還包括在衛(wèi)星上確定來自移動單元的信號的到達(dá)角，以及在衛(wèi)星上確定來自參考單元的信號的到達(dá)角的裝置；從移動單元的信號的到達(dá)角計算移動單元必須位于的一個錐面，以及從參考單元的信號的到達(dá)角計算參考單元必須位于的一個錐面的裝置；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(wèi)星并且具有至少一個和所述低地軌道衛(wèi)星通信的移動單元的地理定位系統(tǒng)的裝置，所述裝置包括使用上述低地軌道衛(wèi)星在所述低地軌道衛(wèi)星和上述移動單元之間通信的裝置，該低地軌道衛(wèi)星將來自移動單元的電磁信號轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)地面站終端而不對該電磁信號做進(jìn)一步處理；在上述低地軌道衛(wèi)星和上述移動單元之間通信以獲得一組地理定位參數(shù)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(guān)的誤差；通過在低地軌道衛(wèi)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(jù)權(quán)利要求19的裝置，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的多普勒頻移測量中獲得的。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的到達(dá)時間測量中獲得的。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的裝置，其特征在于地理定位參數(shù)是從低地軌道衛(wèi)星和移動單元之間信號的到達(dá)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(wèi)星星座圖中一個衛(wèi)星發(fā)射的電磁信號的地理定位系統(tǒng)，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(wèi)星相對其它移動單元和低地軌道衛(wèi)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(qū)域上的固定測量站點分布多個參考站轉(zhuǎn)發(fā)器；b)處理器(1)通過在衛(wèi)星地面站測量移動單元發(fā)射機(jī)信號的第一多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，第一多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，和第一多個地理定位參數(shù)的到達(dá)角度分量確定移動單元的近似位置，(2)通過在衛(wèi)星地面站測量移動單元發(fā)射機(jī)信號的第二多個地理定位參數(shù)的多普勒頻移分量，第二多個地理定位參數(shù)的到達(dá)時間分量，和第二多個地理定位參數(shù)的到達(dá)角度分量確定多個參考站中至少一個的近似位置，并且(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，并且將差分誤差矢量應(yīng)用于(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，并將那個誤差矢量用于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(shù)估計移動單元的位置，并且將誤差矢量應(yīng)用于移動單元的估計位置以確定移動單元的最后位置的步驟。
全文摘要
提供改進(jìn)的基于衛(wèi)星的跟蹤系統(tǒng)的方法和裝置，使用已知位置參考發(fā)射機(jī)站提供的糾錯矢量，可以用于改善對未知位置發(fā)射機(jī)的位置估計。確定地面發(fā)射機(jī)位置的技術(shù)稱為地理定位。為了地理定位，要通過衛(wèi)星地面站和地球軌道上的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器(304)查詢發(fā)射機(jī)/接收機(jī)(收發(fā)機(jī))(306)。一旦接收到衛(wèi)星廣播的收發(fā)機(jī)唯一標(biāo)識碼，收發(fā)機(jī)將通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將它的標(biāo)識碼發(fā)回衛(wèi)星地面站。環(huán)路響應(yīng)時間用于計算衛(wèi)星到收發(fā)機(jī)的距離。衛(wèi)星在非靜止軌道上運(yùn)動造成的接收信號多普勒頻移用于計算信號到衛(wèi)星的到達(dá)角。距離和到達(dá)角結(jié)合在一起計算收發(fā)機(jī)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(fā)機(jī)重復(fù)。對參考收發(fā)機(jī)產(chǎn)生的位置估計和一個預(yù)先已知的參考收發(fā)機(jī)位置進(jìn)行比較。估計位置和參考端的已知位置之差產(chǎn)生誤差矢量。這個誤差矢量用于對所有預(yù)先未知位置收發(fā)機(jī)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(yōu)先權(quán)日1996年7月12日
發(fā)明者M·J·肖爾 申請人:鷹眼技術(shù)公司