專利名稱：利用衛(wèi)星陣定位固定終端的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是衛(wèi)星電信系統(tǒng)。
常規(guī)的衛(wèi)星電信系統(tǒng)包括非同步衛(wèi)星陣(例如，在低地球軌道的64顆衛(wèi)星)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)站和多個(gè)固定終端。每個(gè)網(wǎng)關(guān)站與一個(gè)單獨(dú)的地理上的小區(qū)(“點(diǎn)”)相聯(lián)系和被連接到陸地電信網(wǎng)上。每個(gè)終端經(jīng)由衛(wèi)星與其所在的小區(qū)的網(wǎng)關(guān)站進(jìn)行通信(并從而與陸地電信網(wǎng)通信)。當(dāng)相關(guān)的一個(gè)網(wǎng)關(guān)站被啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)衛(wèi)星都從該網(wǎng)關(guān)站接收信息，該網(wǎng)關(guān)站向在其覆蓋區(qū)的一個(gè)終端或多個(gè)終端進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)相對(duì)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)站啟動(dòng)時(shí)，每個(gè)衛(wèi)星都向該網(wǎng)關(guān)站發(fā)送從其覆蓋區(qū)中的每個(gè)固定終端進(jìn)行接收的信息。只有當(dāng)從該網(wǎng)關(guān)站是可視的，一個(gè)衛(wèi)星才相對(duì)于一個(gè)網(wǎng)關(guān)站啟動(dòng)。
為了更精確起見，本發(fā)明涉及定位上述類型的衛(wèi)星電信系統(tǒng)的固定終端的一種方法。
由于各種原因必須知道系統(tǒng)的每個(gè)固定終端的位置。例如，這能使各個(gè)固定終端同步，以便當(dāng)由各個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行接收時(shí)，可以防止或減小由不同固定終端發(fā)送的信號(hào)之間的相互干擾。還能使每個(gè)固定終端所屬的加載區(qū)被確定。
注意，這里所指的終端是固定終端。當(dāng)初次安裝或每次終端重新安裝時(shí)(例如從一間房間移到另外一間)，因此需要定位。
第一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的解決定位終端問題的辦法包括在該固定終端中設(shè)置一個(gè)接收機(jī)，該接收機(jī)可以是現(xiàn)存的諸如全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)之類的定位系統(tǒng)之一。
這種第一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法具有成本非常高的主要缺點(diǎn)。GPS或GLONASS接收機(jī)與“消費(fèi)者”的固定終端比較起來太昂貴。另外，由于僅當(dāng)固定終端進(jìn)行安裝時(shí)才進(jìn)行定位，增加一個(gè)專用定位接收機(jī)到固定終端上意味著超出該固定終端所使用的所有部件的投資比例。
第二個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法是使用現(xiàn)存的基礎(chǔ)設(shè)施(特別是將被定位的固定終端和陣列中的某些衛(wèi)星和其自身已知的到達(dá)角(TDOA)定位技術(shù)的到達(dá)角(AOA)的角度或時(shí)間差。
利用AOA技術(shù)，終端的位置是利用組合來自不同衛(wèi)星的信號(hào)的到達(dá)角來確定的。利用TDOA技術(shù)，終端的位置是利用組合來自不同衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差確定的。
與上述第一現(xiàn)有技術(shù)解決辦法不同，該第二現(xiàn)有技術(shù)解決辦法不需要任何專用定位接收機(jī)(GPS或GLONASS型的)。
然而，無論利用AOA還是TDOA技術(shù)，這種第二現(xiàn)有技術(shù)解決辦法付諸實(shí)際都是困難的。AOA技術(shù)需要在方位和高度上精密的天線基準(zhǔn)，并TDOA技術(shù)需要同步的衛(wèi)星發(fā)射機(jī)。這些千變?nèi)f化的條件是困難的。如果不是不可能，在不顯著增加成本的情況下是可以同意這樣作的。但再次應(yīng)當(dāng)注意的是，因?yàn)閮H在安裝時(shí)才起作用，所以固定終端的定位必須不意味著過度的投資。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的這些缺點(diǎn)。
更為準(zhǔn)確地講，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種定位衛(wèi)星電信系統(tǒng)的固定終端的方法，并且該方法可以簡(jiǎn)單地投入實(shí)際使用和具有低的成本。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種上述類型的方法，該方法在固定終端中不要求專用的GPS或GLONASS定位接收機(jī)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種上述類型的方法，該方法使用現(xiàn)存的系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，而不在固定終端(沒有精密方位基準(zhǔn))或衛(wèi)星(衛(wèi)星不需要同步)付加苛刻的條件。
按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的借助于一種衛(wèi)星電信系統(tǒng)的固定終端定位方法上述的目的和其它的目的將是顯而易見的，該衛(wèi)星電信系統(tǒng)包括一個(gè)衛(wèi)星陣列、每個(gè)都連接到一個(gè)分別的地理小區(qū)和一個(gè)陸地電信網(wǎng)的多個(gè)網(wǎng)關(guān)站、和多個(gè)固定終端，一個(gè)或多個(gè)被啟動(dòng)的衛(wèi)星，如果它們之間是可視的話，僅與一個(gè)規(guī)定的網(wǎng)關(guān)站相聯(lián)系，每個(gè)從相關(guān)與被啟動(dòng)的網(wǎng)關(guān)站接收信息的啟動(dòng)的衛(wèi)星發(fā)射該信息到固定終端或在其覆蓋區(qū)中的終端，從其覆蓋區(qū)的固定終端接收信息的每個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射信息到相聯(lián)系被啟動(dòng)的網(wǎng)關(guān)站，包含一個(gè)“中間”定位狀態(tài)的方法包括以下步驟
-Ⅰ-在第一時(shí)間t1′，該終端從第一啟動(dòng)衛(wèi)星接收相關(guān)于由第一啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射第一信息的時(shí)間t1的第一信息和在該時(shí)間t1時(shí)該第一衛(wèi)星的位置p1；-Ⅱ-在與第一時(shí)間相同或接近的第一時(shí)間t2 ′，該終端從第二啟動(dòng)衛(wèi)星接收相關(guān)于由第二啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射第二信息的時(shí)間t2的第二信息和在該時(shí)間t2時(shí)該第一衛(wèi)星的位置p2；-Ⅲ-該終端計(jì)算該終端所位于的第一雙曲面H1、2和以至于H1、2=d2-d1=(t2′-t2)·c-(t1′-t1)·c其中-d1是在時(shí)間t1該終端和該第一啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p1之間的距離，-d2是在時(shí)間t2該終端和該第二啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p2之間的距離，-t1和t2分別是由第一和第二衛(wèi)星發(fā)射的第一和第二時(shí)間，-t1′和t2′是該終端的第一和第二接收時(shí)間，和-c是光速；-Ⅳ-相對(duì)于步驟-1-到-3-的終端至少兩次計(jì)算該終端所位于的至少第二和第三雙曲面；和-Ⅴ-該終端通過假設(shè)將是已知的該終端的“粗略”估算的位置，計(jì)算第一和至少第二和第三雙曲面的交叉確定估算位置的“中間”狀態(tài)。
因此，本發(fā)明的定位方法包括一個(gè)例如，精確到±300m的“中間”定位狀態(tài)。這種“中間”定位狀態(tài)的一般原理包括至少在該知道所位于的三個(gè)雙曲面計(jì)算交叉，假設(shè)該知道的位置的“粗略”估算已經(jīng)知道(例如該位置精確到±100Km)。
但十分清楚，利用這種交叉進(jìn)行確定的不確定性隨著雙曲面的數(shù)量增加而降低了(例如可以利用多達(dá)100個(gè)雙曲面)。
重要的是，注意到本發(fā)明的方法與常規(guī)的TDOA技術(shù)有清楚的區(qū)別是重要的，因?yàn)樵诒景l(fā)明的情況下，該終端利用從兩個(gè)不需要同步的衛(wèi)星接收的信息計(jì)算每個(gè)雙曲面。分別由第一和第二衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間是不需要相同的。
這種區(qū)別的特征還表現(xiàn)在以下的方面；本發(fā)明的每個(gè)雙曲面不對(duì)應(yīng)于該系統(tǒng)的實(shí)際圖象，因?yàn)樗⒉话凑盏谝缓偷诙l(wèi)星在一個(gè)規(guī)定的單一時(shí)間上的位置進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明的每個(gè)雙曲面基于第一衛(wèi)星在第一規(guī)定時(shí)間t1的位置p1和第二衛(wèi)星在第二規(guī)定時(shí)間t2的位置p2，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的“虛構(gòu)”的圖象。
由本發(fā)明所施加的唯一條件是該終端的接收時(shí)間t1′和t2′是相同或非常近似的(例如，僅相差數(shù)ms)，使得盡管終端的時(shí)鐘與每個(gè)衛(wèi)星的時(shí)鐘比較不是非常精確的，但(t2′-t1′)的估算是正確的。
有利地是，在步驟-Ⅳ-中，步驟-Ⅰ-到-Ⅲ-的每個(gè)新的迭代是利用屬于該組的以下方式的衛(wèi)星對(duì)實(shí)現(xiàn)的-第一和第二衛(wèi)星分離的衛(wèi)星對(duì)；和-該衛(wèi)星對(duì)的一個(gè)衛(wèi)星是第一和第二衛(wèi)星中的一個(gè)和另外一個(gè)是第一和第二衛(wèi)星分離的衛(wèi)星的衛(wèi)星對(duì)。
換言之，根據(jù)終端從其同時(shí)接收的衛(wèi)星的數(shù)目，需要的衛(wèi)星的數(shù)目不同。例如，終端能夠同時(shí)從三個(gè)衛(wèi)星接收，則該終端可以在相同或相近的時(shí)間t1′、t2′和t3′從3個(gè)衛(wèi)星接收信息和計(jì)算連續(xù)的三個(gè)雙曲面H1,2、H1,3和H2,3，其中Hi、j、是利用第Ⅰ和第j個(gè)衛(wèi)星計(jì)算的。另一方面，如果該終端僅能夠同時(shí)從兩個(gè)衛(wèi)星接收，則計(jì)算連續(xù)三個(gè)雙曲面H1,2、H3,4和H5,6要求六個(gè)不同衛(wèi)星。
有利地是，“中間”定位狀態(tài)2還包括以下步驟-Ⅵ-利用以前“中間”估算位置代替“粗略”估算位置，終端在步驟-Ⅰ-到-Ⅴ-至少一次反復(fù)操作，以獲得一個(gè)新的“中間”定位估算。
這樣進(jìn)一步改善了“中間”定位估算。
有利地是，該網(wǎng)關(guān)站相關(guān)于第一和第二衛(wèi)星的被啟動(dòng)，發(fā)射具有暫時(shí)預(yù)補(bǔ)償?shù)牡谝缓偷诙畔?，以至于由第一和第二衛(wèi)星發(fā)射后，該第一和第二信息基本上由網(wǎng)關(guān)站同時(shí)被接收。
最好是，由第一和第二啟動(dòng)衛(wèi)星組成的衛(wèi)星對(duì)屬于以下組成的組其中兩個(gè)衛(wèi)星是在任何時(shí)間同時(shí)啟動(dòng)的衛(wèi)星對(duì)；在衛(wèi)星之間的切換期間，其中兩個(gè)衛(wèi)星的出網(wǎng)和入網(wǎng)被單獨(dú)同時(shí)啟動(dòng)，使網(wǎng)關(guān)站以正在變?yōu)榭梢暤娜刖W(wǎng)的啟動(dòng)衛(wèi)星代替出網(wǎng)的啟動(dòng)衛(wèi)星，該出網(wǎng)的衛(wèi)星正在變?yōu)椴豢梢暤摹?br> 注意，從在地球表面的大約90％地方在任何時(shí)間可能看到至少兩個(gè)啟動(dòng)的衛(wèi)星。大約90％的地理小區(qū)(點(diǎn))可以由至少兩個(gè)衛(wèi)星同時(shí)覆蓋。因此，在90％的情況下在任何時(shí)間可以容易地找到兩個(gè)同時(shí)啟動(dòng)的衛(wèi)星。
對(duì)于地球表面的剩余的10％的點(diǎn)，由于“粗略”估算位置被假設(shè)為事先知道的，則該終端可以被近似地(但足以滿足要求地)指向進(jìn)入該點(diǎn)的任何衛(wèi)星。通過跟蹤這個(gè)衛(wèi)星，該終端被建議在衛(wèi)星之間進(jìn)行任何切換。因此，在一般需要數(shù)秒的時(shí)間的衛(wèi)星之間的切換期間，該終端已經(jīng)接入到同時(shí)啟動(dòng)的衛(wèi)星(一個(gè)入網(wǎng)和另外一個(gè)出網(wǎng))。
有利地是，每個(gè)衛(wèi)星具有用于接收由至少兩個(gè)不同衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射的信息。
有利地是，用于同時(shí)接收由至少兩個(gè)不同衛(wèi)星發(fā)射的信息的裝置包括至少兩個(gè)方向性天線，每個(gè)指向一個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)星。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，在“中間”定位狀態(tài)之前設(shè)置包含以下步驟的“粗略”定位狀態(tài)-a-該終端通過改變其方位角θ進(jìn)行搜索和捕獲一個(gè)預(yù)定高度角α的衛(wèi)星；-b-該終端從所捕獲的衛(wèi)星接收涉及所捕獲的衛(wèi)星信息；-c-該終端從涉及所捕獲的衛(wèi)星的位置信息中計(jì)算投射到一個(gè)預(yù)定地球模型上的等高度表面和該終端被定位在該表面上；-d-該終端重復(fù)操作-a-到-c-步驟至少兩次，以便計(jì)算至少兩個(gè)不同的在其上該終端被定位的等高度表面；和-e-該終端通過計(jì)算至少三個(gè)等高度表面的交叉，確定一個(gè)粗略”估算定位。
因此，本發(fā)明的定位方法還包括精度例如在±100km的“大概”定位狀態(tài)。對(duì)于該終端，這種“粗略”定位狀態(tài)的一般原理是計(jì)算至少三個(gè)該終端被定位的等高度表面的交叉。
注意，步驟-b-假設(shè)該衛(wèi)星陣的每個(gè)衛(wèi)星的天體位置推算表是已知的。另外，步驟-c-假設(shè)該終端知道它的天線相對(duì)于地面的高度角α。這可以通過水平配置終端來實(shí)現(xiàn)。
有利地是，在連續(xù)重復(fù)操作步驟-a-到步驟-c-期間的被捕獲的至少三個(gè)衛(wèi)星中當(dāng)從該終端看時(shí)至少有一個(gè)具有方位角θ，該終端與其它兩個(gè)衛(wèi)星至少有10°方位角。
這減少等高度表面的交叉面積。
有利地是，在步驟-a-中，兩個(gè)方向性天線調(diào)整到相同的高度角，每個(gè)天線覆蓋方位角θ的大約180°。
按照這種方式，每個(gè)天線以與另外天線互補(bǔ)的一種方式覆蓋調(diào)整的一半和這樣減小了掃描整個(gè)調(diào)整所需的時(shí)間(即，從0到2π改變方位角θ)。
在本發(fā)明的有優(yōu)越性的實(shí)施例中，“中間”位置狀態(tài)接著是由以下步驟組成的“精密”定位狀態(tài)；-1-該終端位于的與小區(qū)聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由相對(duì)于該網(wǎng)關(guān)站啟動(dòng)的衛(wèi)星向該終端發(fā)射一個(gè)預(yù)定消息；-2-該終端接收該預(yù)定消息和知道它的“中間”估算位置和衛(wèi)星陣的該衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置，產(chǎn)生和然后經(jīng)由該啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)指示該預(yù)定消息的接收和響應(yīng)消息的發(fā)射之間的具體時(shí)間的響應(yīng)消息到網(wǎng)關(guān)站；-3-從響應(yīng)消息該網(wǎng)關(guān)站計(jì)算相關(guān)于該終端的定時(shí)超前的信息；-4-該網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星向該終端發(fā)射相關(guān)于定時(shí)超前的信息；和-5-從相關(guān)于定時(shí)超前信息和從“中間”估算位置，該終端計(jì)算它的“精密”估算位置。
因此，本發(fā)明的定位方法包括“精密”定位狀態(tài)，例如精密到±60m之內(nèi)。這種“精密”定位狀態(tài)的一般原理是計(jì)算該終端相對(duì)于網(wǎng)關(guān)站的定時(shí)超前，或者當(dāng)信號(hào)被網(wǎng)關(guān)站接收時(shí)，更精密地來自該終端的信號(hào)(經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星)的定時(shí)超前。
從而，與“粗略”和“中間”定位狀態(tài)不同，“精密”定位狀態(tài)是主動(dòng)的，而不是被動(dòng)的。換言之，小區(qū)的網(wǎng)關(guān)站與位于該小區(qū)的終端進(jìn)行通信是經(jīng)由一個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星進(jìn)行的。這種通信是在各個(gè)特定的時(shí)間進(jìn)行的，例如，在低話務(wù)周期被保留的和能使陰影信號(hào)接收。
在一種有優(yōu)越性的變形中，該“精密”定位步驟還包括以下的預(yù)限制和最后步驟-0-該終端經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射相關(guān)于“中間”估算位置的信息到網(wǎng)關(guān)站；和-6-網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射該終端的“精密”估算位置到該終端；步驟-5-由以下步驟代替；
-5-從相關(guān)于定時(shí)超前和“中間”估算位置的信息，該網(wǎng)關(guān)站計(jì)算該終端的“精密”估算位置。
在這種變形中，是由網(wǎng)關(guān)站(不是由該終端)計(jì)算“精密”估算位置。
最好是，“精密”定位狀態(tài)還包括以下步驟-7-利用以前的“精密”估算位置代替“中間”估算位置，該終端反復(fù)操作步驟-1-到-5-或-0-到-6-至少一次，獲得新的“精密”估算位置。
注意，如果步驟-1-到-5-(或-0-到-6-)利用相同以前的“精密”估算位置被重復(fù)操作若干次，則需要提供用于對(duì)一個(gè)預(yù)定的可能位置組確定最佳新的“精密”估算位置的付加步驟。這種預(yù)定組包括例如集中在以前的“精密”估算位置圓圈內(nèi)的所有點(diǎn)和具有等于在以前“精密”估算位置的估算中不確定的半徑。
有利地是，在步驟7中，每個(gè)新的步驟-1-到-5-或-0-到-6-的重復(fù)操作是等于相同衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的，但具有從至少10°分離的終端看的方位角θ和/或高度角α。
這試圖估算衛(wèi)星定位的偏差。例如，對(duì)于遵循上述條件的低地球軌道(LEO)衛(wèi)星導(dǎo)致利用相同衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量之間等待5分鐘。
在一種有優(yōu)越性的變形中，步驟-1-到-5-或-0-到-6-的每次新的重復(fù)操作在步驟-7-的操作是利用不同衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。
從閱讀了按說明性和非限制性的例子和附圖的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下列描述本發(fā)明的另外的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的，其中

圖1是本發(fā)明的定位方法的一個(gè)具體實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖；圖2是表示在圖1的流程圖中的“粗略”定位狀態(tài)的一個(gè)具體實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖；圖3和4分別用于解釋圖2流程圖的步驟之一的在規(guī)定高度下衛(wèi)星搜索環(huán)的剖視圖和平面圖；圖5和6分別用于解釋圖2流程圖的步驟之一的從等高度表面的衛(wèi)星看的側(cè)視圖和頂視圖；圖7是圖1流程圖所示的“中間”定位狀態(tài)的一個(gè)具體實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖；圖8是表示圖7流程圖的某些步驟的定時(shí)圖9在圖1流程圖中表示的“精密”定位狀態(tài)的第一具體實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖；圖10是表示圖9流程圖的某些步驟的定時(shí)圖；圖11在圖1流程圖中表示的“精密”定位狀態(tài)的第二具體實(shí)施例的簡(jiǎn)化流程圖。
本發(fā)明涉及衛(wèi)星電信系統(tǒng)的定位一個(gè)固定終端的方法。
在常規(guī)的方法中，和在上文已經(jīng)詳細(xì)說明的方法中，一個(gè)衛(wèi)星電信系統(tǒng)包括一個(gè)衛(wèi)星星陣、多個(gè)網(wǎng)關(guān)站和多個(gè)固定終端。
在圖1的具體實(shí)施例中，本發(fā)明的具體定位方法包括“粗略”定位狀態(tài)1，例如精確到±100km內(nèi)；“中間”定位狀態(tài)2，例如精確到±350m內(nèi)；和“精密”定位狀態(tài)3，例如精確到±60m內(nèi)。
通過例子的方式，假設(shè)每個(gè)終端具有兩個(gè)能夠同時(shí)接收由兩個(gè)不同衛(wèi)星發(fā)射信息的方向性天線。不過十分清楚，每個(gè)終端可以包括用于從多于兩個(gè)的衛(wèi)星同時(shí)接收的裝置。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D2到6描述“粗略”定位狀態(tài)的一個(gè)具體實(shí)施例。
如圖2的簡(jiǎn)化流程圖所示，在這個(gè)“粗略”定位狀態(tài)1的具體實(shí)施例中包括以下步驟該終端通過改變其方位角θ搜索和捕獲(20)一個(gè)預(yù)定高度角α的衛(wèi)星；該終端從所捕獲的衛(wèi)星接收(21)相關(guān)于該所捕獲衛(wèi)星的位置的信息；該終端從相關(guān)于所捕獲的衛(wèi)星的位置信息計(jì)算(22)投射到地球的預(yù)定模型上的等高度平面和該終端位于該等高度片面上；該終端重復(fù)參照上述步驟20到22，在總數(shù)N≥3情況下執(zhí)行N次重復(fù)。因此該終端計(jì)算N個(gè)該終端在上面的等高度平面。在上步驟20到22的N次重復(fù)參照期間所捕獲的衛(wèi)星，例如當(dāng)由至少30°分離看去時(shí)，該終端具有方位角θ。在連續(xù)操作期間，所捕獲的N個(gè)衛(wèi)星至少一個(gè)衛(wèi)星當(dāng)從其它兩個(gè)衛(wèi)星的方位角至少10°的終端看去具有方位角θ。
該終端通過計(jì)算N個(gè)等高度表面的交叉，確定(23)“粗略”估算位置。
在步驟20期間，該終端在一個(gè)該衛(wèi)星可以被找到的環(huán)上搜索一個(gè)衛(wèi)星，已知該衛(wèi)星處于從地球的一個(gè)預(yù)定高度(例如1500km)上。圖3和4分別的這種類型的環(huán)30的剖視圖和平面圖，該環(huán)被該終端T用于搜索具有規(guī)定高度α的衛(wèi)星S。在這個(gè)搜索和捕獲狀態(tài)20期間，該終端的兩個(gè)方向天線調(diào)整到相同的高度角，每個(gè)覆蓋大約180°的方位角θ。
圖5和6分別是在步驟22期間，由終端T計(jì)算的等高度表面的側(cè)視圖和頂視圖(從衛(wèi)星S看)。考慮到投射到一個(gè)完整的球形地球模型，和由于作為高度角α的不確定性δα，等高度表面是一個(gè)環(huán)50。另外十分清楚，更復(fù)雜的地球模型也利用同樣地不脫離本發(fā)明的范圍地考慮。
在這種“粗略”定位狀態(tài)1的結(jié)束時(shí)，該終端具有一個(gè)“粗略”估算的位置24，例如精度在200km(即，在±100km內(nèi))內(nèi)。另外，該終端可以利用該終端的“粗略”定位和連續(xù)捕獲的N個(gè)衛(wèi)星連同數(shù)ms的時(shí)間校正一起校正方位角的傾斜度，例如在±2°范圍內(nèi)，這樣使得可以保持整個(gè)接著的“中間”和“精密”定位狀態(tài)的低于一秒的時(shí)間基準(zhǔn)。
現(xiàn)在將參照土7和8描述“中間”定位狀態(tài)2的一個(gè)具體實(shí)施例。
如圖7的簡(jiǎn)化流程圖所表示，在這個(gè)具體的實(shí)施例中，“中間”定位狀態(tài)包括以下步驟在第一時(shí)間t1′，該終端從第一啟動(dòng)衛(wèi)星(“衛(wèi)星1”)接收(70)涉及時(shí)間t1的由第一啟動(dòng)衛(wèi)星的第一信息發(fā)送和在時(shí)間t1的第一啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p1的第一信息；在與第一t1′時(shí)間相同或相近的第二時(shí)間t2′，該終端從第二啟動(dòng)衛(wèi)星(“衛(wèi)星2”)接收(71)涉及時(shí)間t2的由第二啟動(dòng)衛(wèi)星的第二信息發(fā)送和在時(shí)間t2的第一啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p2的第一信息；該終端計(jì)算(72)該終端所位于的第一雙曲面H1,2(下文詳細(xì)解釋)；該終端重復(fù)操作步驟70到72實(shí)現(xiàn)總數(shù)為N(N≥3)的迭代。因此該終端計(jì)算N個(gè)該終端所位于的雙曲面；和該終端通過計(jì)算N個(gè)已知“粗略”估算位置24的雙曲面迭代，確定(73)一個(gè)“中間”估算位置74。
利用以前的“中間”估算位置74代替“粗略”估算位置24，該終端可以重復(fù)操作M次上述步驟70到72個(gè)步驟73的N次迭代，使得獲得M次新的“中間”估算位置74′。
這些M次新的“中間”估算位置可以，或者從以前迭代的中間估算位置中，或者從所有相同(以前的“粗略”或“中間”)估算位置中連續(xù)地進(jìn)行計(jì)算。
在第二種情況下，確定“中間”估算位置的步驟73可以被忽略。這是當(dāng)誤差累積超過M個(gè)“中間”估算位置的或從相同以前“粗略”或“中間”估算位置的時(shí)，通過從使該終端的“中間”估算位置的誤差最小的預(yù)定一組點(diǎn)搜索p點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。例如該預(yù)定一組點(diǎn)是一個(gè)中心在“粗略”估算位置(對(duì)于“中間”估算位置的第一計(jì)算)或者以前“中間”估算位置(對(duì)于新的“中間”估算位置的每次計(jì)算)，和其半徑在(以前“粗略”或“中間”)估算位置是不確定數(shù)(該以前“粗略”或“中間”估算位置是圓盤的中心)的圓盤在步驟72由該終端按以下方式計(jì)算的每個(gè)雙曲面Hi,j:
Hi,j=dj-di=(tj′-tj)·c-(ti′-ti)·c，其中-di是在時(shí)間ti該終端和第i個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置pi之間的距離；-dj是在時(shí)間tj該終端和第j個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置pj之間的距離；-ti和tj是分別由第i和第j個(gè)衛(wèi)星的發(fā)送時(shí)間；-ti′和tj′是由該終端的第i和第j接收時(shí)間；和-c是光速。
定義每個(gè)雙曲面Hi,j的方程還可以被寫為Hi,j=dj-di=(tj′-ti′)·c-(tj-ti)·c=Δt′c-Δt·c因?yàn)樵摻K端接收ti和tj，所以它可以計(jì)算Δt′和Δt。該終端測(cè)量ti′和tj′本身。因此，該終端知道在分別在時(shí)間ti和tj時(shí)，第i和第j衛(wèi)星的位置pi和pj，從而該終端可以計(jì)算出雙曲面Hi,j。
雙曲面Hi,j是利用在一個(gè)規(guī)定時(shí)間同時(shí)啟動(dòng)的兩個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星，或者僅在各衛(wèi)星之間進(jìn)行切換期間同時(shí)啟動(dòng)的兩個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星(相應(yīng)出網(wǎng)和入網(wǎng)的)進(jìn)行計(jì)算的。
該終端的兩個(gè)方向性天線的每一個(gè)指向一個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)星。正如上文已經(jīng)解釋過的那樣，十分清楚，該終端同時(shí)從多于兩個(gè)的啟動(dòng)衛(wèi)星進(jìn)行接收，在這種情況下，從接收到的信息中可以計(jì)算多個(gè)雙曲面。每對(duì)衛(wèi)星被用于計(jì)算一個(gè)雙曲面。
圖8表示利用相應(yīng)所涉及的單元的時(shí)間t1、t2、t1′和t2′(即，第一衛(wèi)星的t1、第二衛(wèi)星的t2、和該終端的t1′和t2′)，以及時(shí)間間隔Δt和Δt′。圖8還表示網(wǎng)關(guān)站在時(shí)間tS1和tS2發(fā)射第一和第二衛(wèi)星在時(shí)間t1和t2發(fā)射的第一和第二信息。注意，在該例子中，規(guī)定的網(wǎng)關(guān)站利用暫時(shí)預(yù)補(bǔ)償進(jìn)行發(fā)射(在時(shí)間tS1和tS2)，使得由第一和第二衛(wèi)星發(fā)射的第一和第二信息(在時(shí)間tS1和tS2)同時(shí)被網(wǎng)關(guān)站(在時(shí)間tGW0)基本上同時(shí)被接收。
在這個(gè)“中間”定位狀態(tài)1結(jié)束時(shí)，該終端具有“中間”估算位置74，例如精確到±350m。
現(xiàn)在將結(jié)合圖9、10和11描述“精密”定位狀態(tài)3的第一和第二具體實(shí)施例。
在“精密”定位狀態(tài)3的第一具體實(shí)施例中包括以下步驟該網(wǎng)關(guān)站(與終端所在的小區(qū)相關(guān)的)經(jīng)由衛(wèi)星向終端發(fā)送(90)一個(gè)預(yù)定消息。如圖10所示，網(wǎng)關(guān)站在時(shí)間tGW0進(jìn)行發(fā)射和衛(wèi)星在tS0進(jìn)行發(fā)射；終端接收在時(shí)間tT0接收預(yù)定消息和，知道估算的“中間”位置和啟動(dòng)衛(wèi)星的時(shí)實(shí)時(shí)間，和產(chǎn)生和然后經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星向網(wǎng)關(guān)站發(fā)射(91)一個(gè)指示預(yù)定消息的接收時(shí)間tT0和響應(yīng)消息的發(fā)射時(shí)間tT中間的具體時(shí)間周期ΔtT的響應(yīng)消息。如圖10所示，衛(wèi)星在時(shí)間tS發(fā)射由終端在時(shí)間tT發(fā)射的響應(yīng)消息；在時(shí)間“測(cè)量的tGW”，網(wǎng)關(guān)站接收一個(gè)響應(yīng)消息和從關(guān)響應(yīng)消息計(jì)算(92)涉及來自終端的響應(yīng)消息的超前定時(shí)ΔtTA信息。網(wǎng)關(guān)站計(jì)算“測(cè)量的tGW”接收時(shí)間和“期望的tGW”之間的差ΔtTA。僅如果使用的估算的位置精確地與終端的實(shí)際位置一樣時(shí)，存在著零定時(shí)超前ΔtTA=0；網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射(93)涉及定時(shí)超前ΔtTA信息到終端；從涉及定時(shí)超前ΔtTA和“中間”估算位置，終端計(jì)算(94)其“精密”估算位置95；利用以前的“精密”估算位置95代替“中間”估算位置74或74′，終端重復(fù)存在步驟90到92M次，獲得新的“精密”估算位置95′。例如，M次迭代的每一次是利用不同衛(wèi)星進(jìn)行的。注意，如果是利用相同衛(wèi)星進(jìn)行的，則關(guān)衛(wèi)星最好是從分隔至少10°的兩次連續(xù)迭代的終端看過去具有方位角θ和/或高度角α的衛(wèi)星。
可以從前次迭代的“精密”估算位置或者從相同(以前“中間”或“精密”)估算位置連續(xù)地計(jì)算M個(gè)新的“精密”估算位置。
在第二種情況下，步驟94確定的“精密”估算位置95可以被優(yōu)化。這是當(dāng)誤差累積超過M個(gè)“精密”估算位置或從相同以前的“中間”或“精密”估算位置時(shí)，通過從終端的“精密”估算位置中最小化誤差的預(yù)定的一組點(diǎn)中搜索點(diǎn)p進(jìn)行的。例如，最小化誤差的預(yù)定的一組點(diǎn)是中心在“中間”估算位置(對(duì)于“精密”估算位置的第一次計(jì)算的)或以前“精密”估算位置(對(duì)于每次“精密”估算位置的新的計(jì)算的)，和其半徑在(以前的“中間”或“精密”估算位置)是不確定的一個(gè)圓盤。
表示在圖11的“精密”定位狀態(tài)3的第二實(shí)施例的流程圖與第一實(shí)施例的區(qū)別在于是網(wǎng)關(guān)站，而不是終端確定關(guān)終端的“精密”估算位置。
在“精密”定位狀態(tài)的第二實(shí)施例中，除了在圖9中的步驟90到93和上面已經(jīng)解釋的外，還包括以下以前的和最后的步驟；終端經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星向發(fā)射(110)涉及其“精密”估算位置的信息；和網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由啟動(dòng)衛(wèi)星向終端發(fā)射(112)終端的“中間”估算位置的信息；另外，在圖9的步驟94被以下步驟取代；從涉及定時(shí)和“中間”估算位置的信息，網(wǎng)關(guān)站計(jì)算(111)終端的“精密”估算位置。
顯而易見，可以考慮許多本發(fā)明的其它實(shí)施例。特別是，可以提供與上文已描述過的“中間”定位狀態(tài)可比較的其它“粗略”和“精密”定位狀態(tài)。
權(quán)利要求
1．一種衛(wèi)星電信系統(tǒng)的固定終端的定位方法，該系統(tǒng)包括一個(gè)衛(wèi)星陣、每個(gè)與單獨(dú)的地理小區(qū)相連系和連接到地面電信網(wǎng)的多個(gè)網(wǎng)關(guān)站和多個(gè)固定終端，一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星，僅當(dāng)其是可視的時(shí)，相關(guān)于規(guī)定網(wǎng)關(guān)站是被啟動(dòng)的，每個(gè)啟動(dòng)的衛(wèi)星從網(wǎng)關(guān)站接收相關(guān)于其被啟動(dòng)的信息，發(fā)射該信息到其覆蓋區(qū)中的一個(gè)終端或多個(gè)終端，每個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星從在其覆蓋區(qū)中的發(fā)射該衛(wèi)星被啟動(dòng)的信息到該網(wǎng)關(guān)站的一個(gè)固定終端接收信息，其特征在于包括含有以下步驟的“中間”定位狀態(tài)(2)-Ⅰ-在第一時(shí)間t1’，所述終端從第一啟動(dòng)衛(wèi)星接收涉及由所述第一啟動(dòng)衛(wèi)星的第一信息發(fā)射時(shí)間t1和所述第一啟動(dòng)衛(wèi)星在所述第一時(shí)間t1的位置p1的第一信息(步驟70)；-Ⅱ-在相同或接近所述第一時(shí)間的第二時(shí)間t2’，所述終端從第二啟動(dòng)衛(wèi)星接收涉及由第二啟動(dòng)衛(wèi)星的所述第二信息發(fā)射的時(shí)間t2和所述第二啟動(dòng)衛(wèi)星在所述第二時(shí)間t2的位置p2的第二信息(步驟71)；-Ⅲ-所述終端計(jì)算所述終端所位于的第一雙曲面Hij(步驟72)使得H1,2=d2-d1=(t2’-t2)·c-(t1’-t1)·c其中-d1是在時(shí)間t1該終端和第1個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p1之間的距離；-d2是在時(shí)間t2該終端和第2個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置p2之間的距離；-t1和t2是分別由第1和第2個(gè)衛(wèi)星的發(fā)送時(shí)間；-t1′和t2′是由該終端的第1和第2接收時(shí)間；和-c是光速；-Ⅳ-所述終端重復(fù)步驟-1-到-3-(步驟70到72)至少兩次，計(jì)算至少所述終端所位于的第二和第三雙曲面；和-Ⅴ-假設(shè)“粗略”估算位置是已知的，所述終端通過計(jì)算所述第一和至少第二和第三雙曲面的交叉，確定一個(gè)“中間”估算位置(步驟73)。
2．按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在所述步驟-Ⅳ-中，步驟-Ⅰ-到-Ⅲ-(步驟70到72)的每次新的迭代是通過屬于包括以下組的一對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的和所述第一和第二衛(wèi)星分離的一對(duì)衛(wèi)星；和其一是所述第一和第二衛(wèi)星中的一個(gè)而其另一個(gè)是與第一和第二衛(wèi)星分離的一個(gè)衛(wèi)星組成的一對(duì)衛(wèi)星。
3．按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，在所述“中間”定位狀態(tài)(2)還包括以下步驟-Ⅴ-利用以前“中間”估算位置(74)代替所“粗略”估算位置，所述終端重復(fù)至少一次步驟-1-到-5-，以獲得一個(gè)新的“中間”估算位置(74’)。
4．按照權(quán)利要求1到3的任何一個(gè)的方法，其特征在于，相關(guān)于第一和第二衛(wèi)星被啟動(dòng)的網(wǎng)關(guān)站，發(fā)射第一和第二具有暫時(shí)補(bǔ)償?shù)男畔ⅲ沟糜傻谝缓偷诙l(wèi)星發(fā)射后，所述第一和第二信息基本上被所述網(wǎng)關(guān)站同時(shí)接收。
5．按照權(quán)利要求1到4的任何一個(gè)的方法，其特征在于，包含所述第一和第二啟動(dòng)衛(wèi)星的衛(wèi)星對(duì)屬于包含下述的組-該衛(wèi)星對(duì)中兩個(gè)衛(wèi)星在任何時(shí)間都是同時(shí)啟動(dòng)的；和-僅在各個(gè)衛(wèi)星的切換期間相應(yīng)于出網(wǎng)和入網(wǎng)的兩個(gè)衛(wèi)星的衛(wèi)星對(duì)是同時(shí)啟動(dòng)的，能使網(wǎng)關(guān)站利用正在變?yōu)榭梢暤乃鋈刖W(wǎng)衛(wèi)星代替不再是可視的所述出網(wǎng)啟動(dòng)衛(wèi)星。
6．按照權(quán)利要求1到5的任何一個(gè)的方法，其特征在于，每個(gè)終端具有用于同時(shí)接收由至少兩個(gè)不同衛(wèi)星發(fā)射的信息的裝置。
7．按照權(quán)利要求6的方法，其特征在于，用于同時(shí)接收由至少兩個(gè)不同衛(wèi)星發(fā)射的信息的所述裝置包括至少兩個(gè)方向性天線，每個(gè)天線指向一個(gè)分別的衛(wèi)星。
8．按照權(quán)利要求1到7的任何一個(gè)的方法，其特征在于，所述“中間”定位狀態(tài)(2)由包括需要以下步驟的“粗略”定位狀態(tài)(1)代替-a-所述終端通過改變其方位角θ搜索和捕獲(20)具有預(yù)定高度角α的衛(wèi)星；-b-所述終端從所述被捕獲的衛(wèi)星接收(21)涉及所述被捕獲的衛(wèi)星的位置信息；-c-所述終端從所述涉及該被捕獲的衛(wèi)星的位置信息計(jì)算(22)投射到一個(gè)預(yù)定地球模型的等高度平面和該終端在所述平面上；-d-所述終端重復(fù)操作步驟-A-到-c-(20到22)至少兩次，以便計(jì)算所述終端在上面的至少兩個(gè)其它等高度平面；和-e-所述終端通過計(jì)算所述至少三個(gè)等高度平面的交叉，確定(23)一個(gè)“粗略”估算位置。
9．按照權(quán)利要求8的方法，其特征在于，在所述至少捕獲的三個(gè)衛(wèi)星的步驟-a-到-c-(20到22)連續(xù)迭代期間，至少一個(gè)具有從其它兩個(gè)衛(wèi)星的方位角至少分隔10°的方位角θ。
10．按照權(quán)利要求7和8或權(quán)利要求7和9的方法，其特征在于，在所述步驟-a-(20)中，所述兩個(gè)定向性天線調(diào)整到相同的方位角，每個(gè)覆蓋方位角θ的大約180°。
11．按照權(quán)利要求1到10的任何一個(gè)的方法，其特征在于，所述“中間”定位狀態(tài)(2)接著由以下步驟組成的“精密”定位狀態(tài)(3)；-1-與所述終端所處于的小區(qū)相聯(lián)系的網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由相對(duì)于所述網(wǎng)關(guān)站的一個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星向所述終端發(fā)射(90)的預(yù)定信息；-2-所述終端接收(91)所述預(yù)定信息和，知道其“中間”估算位置和所述衛(wèi)星陣的各個(gè)衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置，產(chǎn)生和然后響應(yīng)指示所述預(yù)定消息的接收和所述響應(yīng)消息的發(fā)射之間的特定時(shí)間周期，經(jīng)由所述啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射到網(wǎng)關(guān)站；-3-從所述響應(yīng)消息，所述網(wǎng)關(guān)站計(jì)算(92)所述終端的定時(shí)超前的信息；-4-所述網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由所述啟動(dòng)衛(wèi)星向所述終端發(fā)射(93)涉及定時(shí)超前的信息；和-5-從涉及定時(shí)超前的信息和從所述“中間”估算位置，所述終端計(jì)算(94)其“精密”估算位置。
12．按照權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述“精密”定位步驟(3)還包括以下開端和最后步驟；-0-所述終端經(jīng)由所述啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射(110)涉及“中間”估算位置的信息到所述網(wǎng)關(guān)站；和-6-所述網(wǎng)關(guān)站經(jīng)由所述啟動(dòng)衛(wèi)星發(fā)射(112)該終端的所述“精密”估算位置到所終端；和所步驟-5-(94)被以下變形代替-5-從涉及定時(shí)超前和所述“中間”估算位置的信息，所述網(wǎng)關(guān)站計(jì)算(111)該終端的“精密”估算位置。
13．按照權(quán)利要求11或12的方法，其特征在于，所述“精密”定位狀態(tài)(3)還包括以下步驟-7-利用以前“精密”估算位置代替所述“中間”估算位置，所述終端重復(fù)操作步驟-1-到-5-(90到92)或-0-到-6-(110、90到93、111和112)至少一次，以獲得新的“精密”估算位置。
14．按照權(quán)利要求13的方法，其特征在于，在步驟7中，步驟-1-到-5-或-0-到-6-的每個(gè)新的迭代是利用相同衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的，但是具有從分隔至少10°的所述終端看的方位角θ和/或高度角α。
15．按照權(quán)利要求13的方法，其特征在于，在步驟7中，步驟-1-到-5-或-0-到-6-的每次新的迭代是利用不同衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定位電信系統(tǒng)的固定終端的方法,該電信系統(tǒng)包括一個(gè)衛(wèi)星陣、多個(gè)網(wǎng)關(guān)站和多個(gè)固定終端。按照本發(fā)明該方法包括“粗略”、“中間”、和“精密”定位狀態(tài)。在“中間”定位狀態(tài)期間,終端計(jì)算至少三個(gè)雙曲面和在假設(shè)已知該終端的“粗略”估算位置下交叉這些雙曲面。每個(gè)雙曲面可以寫為:Hi,j=dj－di=(tj′－tj)·c－(ti′－ti)·c,其中:－di是在時(shí)間ti該終端和第i個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置pi之間的距離;－dj是在時(shí)間tj該終端和第j個(gè)啟動(dòng)衛(wèi)星的位置pj之間的距離;－ti和tj是分別由第i和第j個(gè)衛(wèi)星的發(fā)送時(shí)間;－ti′和tj′是由該終端的第i和第j接收時(shí)間;和－c是光速。
文檔編號(hào)G01S5/00GK1212375SQ98119868
公開日1999年3月31日 申請(qǐng)日期1998年8月24日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月25日
發(fā)明者弗朗索瓦·德內(nèi)茲, 雅克·布斯凱 申請(qǐng)人:阿爾卡塔爾-阿爾斯托姆通用電氣公司