專利名稱：衛(wèi)星通信系統(tǒng)中進(jìn)行無源地面定位估算的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常是關(guān)于無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。特別是，本發(fā)明是關(guān)于這樣的無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中通信是通過衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)接的，并且在系統(tǒng)中必須確定用戶單元的位置。
在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的或是已建議的無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，一個(gè)用戶單元與系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性的無線通信。這樣的系統(tǒng)允許與系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外的聲音和數(shù)據(jù)的無線通信。用戶單元可能將一個(gè)呼叫放到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)芈酚珊艚校▽⒑艚新酚傻诫娫捁娊粨Q網(wǎng)。可能由系統(tǒng)從系統(tǒng)外部接收一個(gè)呼叫，再由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)路由到用戶單元?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)可能包括衛(wèi)星，蜂窩基站或這些的連接。一個(gè)衛(wèi)星無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的例子是IRIDIUM@系統(tǒng)。IRIDIUM@是Iridium，LLC的一個(gè)商標(biāo)。
在任何蜂窩或衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，用戶(移動(dòng)的)單元都必須登記它當(dāng)前在系統(tǒng)中的位置，這樣才可能通知它們有呼入。當(dāng)接收到一個(gè)呼入的時(shí)候，系統(tǒng)將一條振鈴消息(ring message)發(fā)送到用戶單元。用戶單元檢測到振鈴消息，完成通信鏈接并且繼續(xù)進(jìn)行呼叫。
但是，當(dāng)一個(gè)用戶單元登記的時(shí)候或是將一條振鈴消息發(fā)送給用戶單元的時(shí)候，登記通信和振鈴消息都要消耗系統(tǒng)資源，例如發(fā)射時(shí)間。最好是將這樣的資源分配給聲音和數(shù)據(jù)通信，而不是系統(tǒng)信令。為了減少系統(tǒng)資源的負(fù)擔(dān)，僅僅將振鈴消息發(fā)送到用戶單元所在的服務(wù)區(qū)。這樣，系統(tǒng)必須具有用戶單元的位置信息，目的是在適當(dāng)?shù)姆?wù)區(qū)內(nèi)發(fā)送振鈴消息。這個(gè)信息是由登記通信所提供的。
但是，用戶單元登記的過于頻繁也會(huì)消耗系統(tǒng)資源，會(huì)明顯的降低系統(tǒng)的處理能力。為了緩解這個(gè)問題，許多系統(tǒng)只記錄每一個(gè)用戶單元最后登記的服務(wù)位置并且只要求定期進(jìn)行再登記。為了進(jìn)一步減少登記通信量，在一些系統(tǒng)中，例如Iridium系統(tǒng)，要求用戶單元估算它們當(dāng)前的位置并且只有當(dāng)用戶單元明顯的遠(yuǎn)離最后登記的服務(wù)區(qū)的時(shí)候才進(jìn)行登記。只要求用戶單元，僅僅根據(jù)測得的可見的衛(wèi)星的振鈴消息的到達(dá)時(shí)間(TOA)和衛(wèi)星間的相對(duì)位置來無源估算它的位置。
另外一個(gè)已知的系統(tǒng)，提供了使用從繞軌道運(yùn)行的衛(wèi)星來的數(shù)據(jù)進(jìn)行無源地面定位。全球定位系統(tǒng)(GPS)在中等的地球軌道上具有大量的衛(wèi)星，它們是同步的并且發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)它們，地球表面的GPS單元可以確定它們的大致位置。
無線電話或用戶單元運(yùn)行在一個(gè)無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中的條件強(qiáng)迫它使用與GPS單元不同的地面定位技術(shù)。例如，無線電話包括數(shù)據(jù)處理能力但是通常不具有大量的或是復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理所要求的計(jì)算能力。許多無源地面定位算法解決了復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，但并不很適合在一個(gè)無線電話中實(shí)現(xiàn)。
此外，無源地面定位估算對(duì)于系統(tǒng)衛(wèi)星之間的同步誤差和用戶單元接收器中的時(shí)鐘偏差是高度敏感的，并且用戶單元必須對(duì)這樣的誤差作出補(bǔ)償。這個(gè)時(shí)鐘偏差可能高達(dá)百萬分之一(ppm)。在Iridium系統(tǒng)中，衛(wèi)星僅僅同步到十億分之二十(20ppb)。GPS衛(wèi)星是基于原子鐘進(jìn)行同步的。這樣能夠更加精確的同步，例如達(dá)到每兆(trillion)之一(1ppt)之內(nèi)。
此外，在近地軌道(LEO)系統(tǒng)之中，例如Iridium系統(tǒng)之中，在任何給定的時(shí)間只有幾個(gè)衛(wèi)星是可見的。在最壞的情況下，在赤道只有一個(gè)衛(wèi)星是可見的。用戶單元必須能夠在擴(kuò)展時(shí)間段上收集TOA測量和衛(wèi)星位置信息。這個(gè)額外的數(shù)據(jù)收集時(shí)段擴(kuò)大了時(shí)鐘偏差，帶來了實(shí)質(zhì)上的估量誤差。GPS衛(wèi)星是在半地球同步軌道(離地球表面20，183km)，比起LEO系統(tǒng)，例如Iridium，有更多數(shù)量的衛(wèi)星可見(6到11個(gè)衛(wèi)星)。GPS測量能夠在一個(gè)非常短的時(shí)段上被收集到，這樣減少接收器中時(shí)鐘偏差的問題。
因此，在本技術(shù)中需要一種方法和裝置，由一個(gè)用戶單元來進(jìn)行無源地面定位，克服上述這些問題。
在所附的權(quán)利要求書中具體闡述了本發(fā)明的這些新特點(diǎn)。通過參考下面的描述，與附圖一起可以最好的理解本發(fā)明，還有目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)，在幾張附圖中相同的參考數(shù)字代表相同的元件，并且其中

圖1示出了一個(gè)基于衛(wèi)星的無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)；圖2表示的是由圖1的中無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的一個(gè)衛(wèi)星在地球表面上所形成的一個(gè)蜂窩模型；圖3是圖1中的無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中所使用的一個(gè)用戶單元的框圖；圖4是一個(gè)運(yùn)行框圖，示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)無源地面定位裝置，它可能是在圖3中的用戶單元中實(shí)現(xiàn)的；并且圖5示出了依據(jù)本發(fā)明的一種地面定位方法的流程圖。
現(xiàn)在參考圖1，它示出了一個(gè)基于衛(wèi)星的無線遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括由幾個(gè)位于地球13周圍相對(duì)近地的軌道中的衛(wèi)星14組成的一個(gè)星群12。在這里也將衛(wèi)星14稱為空間飛行器或SV。
此外系統(tǒng)10還包括一個(gè)或多個(gè)交換局16，也稱為網(wǎng)關(guān)。交換局16位于地球的表面并且與附近的衛(wèi)星通過射頻(RF)通信信道18進(jìn)行無線通信。衛(wèi)星14相互之間也通過通信信道20進(jìn)行無線通信。這樣，通過衛(wèi)星14的星群12，交換局16最好與一個(gè)或多個(gè)特定的區(qū)域相關(guān)聯(lián)。交換局16與公共交換通信網(wǎng)(PSTN)22相連接，能夠接收到從它發(fā)出的要到達(dá)系統(tǒng)10的用戶的呼叫，并且也能夠發(fā)送出系統(tǒng)10的用戶所發(fā)送的呼叫。
系統(tǒng)10包括任何數(shù)量的用戶單元24。用戶單元在這里也被稱為SU。用戶單元24可能被配置為常用的便攜式的無線通信設(shè)備。換句話說，用戶單元可能是電池供電的，可能消耗相對(duì)較低的功率，并且可能包括相對(duì)較小的天線。系統(tǒng)10容納用戶單元24在地球表面或附近的任何位置的運(yùn)動(dòng)。將用戶單元配置為與衛(wèi)星14在為該用途所分配的部分電磁波頻譜上進(jìn)行無線通信。用戶單元14與附近的衛(wèi)星14在通信信道26之上進(jìn)行通信。
在系統(tǒng)10中包括任何數(shù)量的用戶信息管理器28(也稱為SIM)。每一個(gè)用戶管理器20保存一個(gè)用戶數(shù)據(jù)庫，它只與用戶單元24的總數(shù)的一個(gè)分立部分相關(guān)。該數(shù)據(jù)庫可能包括與用戶單元24相關(guān)特征的信息，與用戶單元24相關(guān)的計(jì)帳費(fèi)率，用戶單元24的當(dāng)前位置和其它信息。對(duì)于每一個(gè)用戶單元24都分配了用戶信息管理器28的一個(gè)。每一個(gè)SIM可能與每一個(gè)交換局16相關(guān)聯(lián)并且甚至可能使用相同的計(jì)算機(jī)化的設(shè)備。
總之，可以將系統(tǒng)10看作是一個(gè)結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)用戶單元24，衛(wèi)星14，交換局16和用戶信息管理器28都代表系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)10的所有結(jié)點(diǎn)是或可能通過通信信道18，20和26與系統(tǒng)10的其它結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。此外，系統(tǒng)10的所有結(jié)點(diǎn)是或是可能通過PSTN 22與分散在全世界的其它電話裝置進(jìn)行通信。依據(jù)衛(wèi)星14的配置，至少有一個(gè)衛(wèi)星14在任何時(shí)間都在地球表面的每一個(gè)點(diǎn)的視域中。通信服務(wù)，包括呼叫，可能是建立在兩個(gè)用戶單元24之間或是建立在任何一個(gè)用戶單元24和一個(gè)PSTN電話號(hào)碼之間。呼叫可能是建立在地球上的任何兩個(gè)位置之間。通常講，在呼叫建立期間每一個(gè)用戶單元通過星群12與一個(gè)附近的交換局16進(jìn)行控制通信。這些控制通信是在用戶單元24和系統(tǒng)內(nèi)部或是系統(tǒng)外部的另一個(gè)單元之間形成一條通信路徑之前進(jìn)行的。
由于是近地軌道，衛(wèi)星14不斷的相對(duì)于地球進(jìn)行移動(dòng)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，衛(wèi)星14在地球上500-1000km高度范圍的軌道上移動(dòng)。例如如果將衛(wèi)星放置在地球上空大約765km的軌道上，那么空中的衛(wèi)星14相對(duì)于地球表面上一點(diǎn)以大約25,000km/hr的速率進(jìn)行移動(dòng)。
也是由于衛(wèi)星14的相對(duì)近地的軌道，從任何一個(gè)衛(wèi)星發(fā)出的視線電磁傳輸在任一時(shí)間點(diǎn)都只能覆蓋地球上的一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域。例如，當(dāng)衛(wèi)星占據(jù)在地球上空大約765km的軌道的時(shí)候，這種傳輸可能覆蓋直徑為4000km的區(qū)域。
圖2表示的是圖1的系統(tǒng)10中的一個(gè)衛(wèi)星14在地球的表面上所形成的一個(gè)蜂窩模型。每個(gè)衛(wèi)星14都包括一個(gè)定向天線陣列32。每一個(gè)陣列32在地球的表面上相對(duì)衛(wèi)星14以多個(gè)不同的角投射出大量離散的天線圖案或是射束。圖2表示的是衛(wèi)星14在地球的表面上形成的小區(qū)34的一個(gè)合成模型。其它的衛(wèi)星(沒有表示)形成其它的覆蓋區(qū)(沒有表示)與圖2中所示的覆蓋區(qū)30相鄰接，這樣小區(qū)34實(shí)際上覆蓋了地球的全部表面。
覆蓋區(qū)30中的每一個(gè)小區(qū)(cell)34在覆蓋區(qū)30中都占有一個(gè)唯一的位置。通過使用小區(qū)標(biāo)識(shí)將這些位置區(qū)分開來，在圖2中將這些小區(qū)標(biāo)識(shí)表示為數(shù)字1到48。通過識(shí)別覆蓋所感興趣的一個(gè)位置的一個(gè)小區(qū)34可以獲得一定程度的位置信息。衛(wèi)星14最好是在預(yù)定的軌道上環(huán)繞地球。換句話說，通過將時(shí)間點(diǎn)和已知的軌道的幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合起來可以及時(shí)的確定在一個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)的一個(gè)衛(wèi)星的位置。通過將覆蓋區(qū)30內(nèi)的一個(gè)小區(qū)的位置與衛(wèi)星的位置相結(jié)合起來，能夠確定地球上的一個(gè)位置。
為了方便，圖2中示出的小區(qū)34和覆蓋區(qū)30是離散的，通常是沒有重疊或間隙的六角形。但是可以理解在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，從衛(wèi)星14的天線所投射出的等強(qiáng)度線更可能是圓形或是橢圓的而不是六角形的，天線旁瓣可能會(huì)使圖案變形，一些小區(qū)34可能會(huì)比其它小區(qū)34覆蓋更大的區(qū)域，并且可以預(yù)計(jì)到在相臨的小區(qū)之間會(huì)有一些重疊。
系統(tǒng)10(圖1)使用電磁波頻譜的一個(gè)有限部分通過衛(wèi)星14與所有的用戶單元24進(jìn)行通信。對(duì)于不同的系統(tǒng)，通信方法的精確參數(shù)和所分配的頻譜各不相同。例如，可能將頻譜分成離散的頻帶，離散的時(shí)段，離散的編碼技術(shù)或是這些的聯(lián)合以形成離散的信道集。理想的情況是，這些離散的信道集中的每一個(gè)對(duì)于所有其它信道集都是正交的。換句話說，可在同一個(gè)位置通過每一個(gè)信道集同時(shí)進(jìn)行通信而沒有明顯的干擾。
每一個(gè)衛(wèi)星14都與一個(gè)最低點(diǎn)方向相關(guān)聯(lián)。最低點(diǎn)方向是由從衛(wèi)星14向地球中心延伸的一條假想的線(沒有表示)所定義的。對(duì)于一個(gè)給定的衛(wèi)星14，一個(gè)接地點(diǎn)位于最低點(diǎn)方向與地球13相交的地點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星14在它的軌道中環(huán)繞地球移動(dòng)的時(shí)候，這個(gè)接地點(diǎn)形成一個(gè)地面軌跡36。從衛(wèi)星14所發(fā)送的每道射束投射到地球表面上的一個(gè)預(yù)定區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的中心就是射束中心。
圖2中示出了一點(diǎn)38，它示出了在某個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)一個(gè)用戶單元24在地球表面上的一個(gè)示例位置。當(dāng)衛(wèi)星14相對(duì)于地球13進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候，覆蓋區(qū)30和小區(qū)34同樣也相對(duì)于地球進(jìn)行移動(dòng)，每個(gè)小區(qū)的射束中心也同樣移動(dòng)。作為這種移動(dòng)的結(jié)果，通過小區(qū)34形成一個(gè)用戶單元的小區(qū)軌跡40。
圖3表示的是在圖1的系統(tǒng)10中所使用的一個(gè)用戶單元48的一張框圖。用戶單元48包括一個(gè)接收器50，接收器緩沖區(qū)52，一個(gè)控制器54，一個(gè)定時(shí)器56，存儲(chǔ)器58，發(fā)送緩沖區(qū)60，發(fā)送器62和輸入/輸出部分64。接收器50在通信信道26上從一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星接收信號(hào)。接收器50與一個(gè)接收緩沖區(qū)52相連接，緩沖區(qū)52臨時(shí)存儲(chǔ)接收器50所接收到的數(shù)據(jù)。
控制器54與接收緩沖區(qū)52和接收器50相連接?？刂破?4此外還與一個(gè)定時(shí)器56，存儲(chǔ)器58，發(fā)送緩沖區(qū)60和發(fā)送器62相連接?？刂破?4通常包括一個(gè)或多個(gè)處理器，例如一個(gè)微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器。控制器64使用定時(shí)器56，通過維護(hù)當(dāng)前的日期和時(shí)間以幫助監(jiān)控實(shí)時(shí)的時(shí)間。
存儲(chǔ)器58包括數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是作為對(duì)控制器54的指令，并且當(dāng)控制器54執(zhí)行該指令的時(shí)候就會(huì)引起用戶單元48執(zhí)行下面所描述的處理。此外，存儲(chǔ)器58包括變量，表和數(shù)據(jù)庫，依據(jù)用戶單元48的操作對(duì)它們進(jìn)行處理。使用發(fā)送緩沖區(qū)60來臨時(shí)存儲(chǔ)控制器54放置在這里的數(shù)據(jù)?？刂破?4與發(fā)送器62相連接以控制發(fā)送的參數(shù)，例如頻率，定時(shí)等參數(shù)。
發(fā)送緩沖區(qū)60與發(fā)送器62相連接。發(fā)送器62發(fā)送調(diào)制的信號(hào)以傳送存儲(chǔ)在發(fā)送緩沖區(qū)60中的數(shù)據(jù)。在信道26上發(fā)送這些信號(hào)。控制器54也與輸入/輸出部分64相連接。輸入/輸出部分64可能包括一個(gè)話筒，揚(yáng)聲器，數(shù)字轉(zhuǎn)換器，聲碼器，譯碼器，小鍵盤和顯示器以在聲音和與系統(tǒng)10(圖1)相兼容的數(shù)字化包之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
圖4是一個(gè)工作的框圖，示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)無源地面定位裝置400，并且它可以在圖3的用戶單元48中實(shí)現(xiàn)。無源地面定位裝置400可能是以硬件或是軟件實(shí)現(xiàn)的。在一種實(shí)施方式中，裝置400是由存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器58(圖3)中的一個(gè)或多個(gè)軟件例程來實(shí)現(xiàn)的并且是由用戶單元48中的控制器54來執(zhí)行的。在這種情況下，圖4中所示出的無源地面定位裝置400的每個(gè)組件都代表軟件程序中的一個(gè)例程或是子例程?？刂破?4是一個(gè)通用的處理器，當(dāng)對(duì)無源地面定位裝置400進(jìn)行編程的時(shí)候，該處理器就變成了一個(gè)特定用途的處理器。無源地面定位裝置400包括一個(gè)測量處理402，一個(gè)分析處理404，和一個(gè)置信度處理406。
測量處理402和從與用戶單元48進(jìn)行無線通信中的衛(wèi)星收集到達(dá)時(shí)間(TOA)估量和衛(wèi)星中心坐標(biāo)。這個(gè)數(shù)據(jù)包括在接收器50(圖3)所接收的一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)414中。在這里將TOA估量和對(duì)于一個(gè)特定衛(wèi)星的衛(wèi)星中心坐標(biāo)稱為一個(gè)數(shù)據(jù)集。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，由衛(wèi)星在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信中報(bào)告衛(wèi)星的中心坐標(biāo)。例如在Iridium系統(tǒng)中，定期的從每一個(gè)衛(wèi)星廣播一條環(huán)行信道(ring channel)以向與衛(wèi)星通信的用戶單元傳送系統(tǒng)信息。環(huán)行信道包括表示衛(wèi)星的衛(wèi)星中心坐標(biāo)和射束中心坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。TOA估量是通過測量從衛(wèi)星發(fā)出的數(shù)據(jù)，例如衛(wèi)星的環(huán)行信道的到達(dá)時(shí)間來獲得的。測量處理收集和存儲(chǔ)來自盡可能多的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，最好是三個(gè)或是更多。還有，當(dāng)不能獲得三個(gè)或更多衛(wèi)星的時(shí)候，可能從相同的一個(gè)衛(wèi)星或多個(gè)衛(wèi)星收集在時(shí)間上分散的幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，下面將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
當(dāng)在Iridium系統(tǒng)中進(jìn)行操作的時(shí)候，測量處理402必須從幾個(gè)唯一的衛(wèi)星或是空間飛行器或SV，對(duì)環(huán)行信道時(shí)分多址脈沖串進(jìn)行測量。依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，利用Iridium系統(tǒng)的環(huán)行信道的周期性，測量處理402允許測量處理402只使用一個(gè)接收器(接收器50)(圖3)進(jìn)行所有測量。經(jīng)常是，在足夠短的時(shí)長中，一個(gè)SU不能同時(shí)見到足夠數(shù)量的唯一的SV。這樣，測量處理402必須對(duì)同一SV進(jìn)行多次在時(shí)間上由最小的時(shí)間間隔所分隔的測量。在一個(gè)例子中，最小的時(shí)間間隔是60秒，但是也可以使用其它合適的時(shí)間間隔。
分析處理404與測量處理402相連接，并且解一個(gè)方程組以確定一對(duì)可能的用戶單元(SU)位置。通過刪除不能通過最小距離延遲有效性檢測或是離最近的已知射束中心最遠(yuǎn)的解來確定最可能的SU位置。這個(gè)處理有時(shí)被稱為三角測量法。依據(jù)本發(fā)明，做了一個(gè)簡化的假定，地球是球形的并且所解的方程組是一個(gè)球形方程的方程組。下面將結(jié)合圖4來詳細(xì)描述分析處理404的操作的細(xì)節(jié)。
置信度處理406與分析處理404相連接并確定什么時(shí)候SV中心測量接近線性相關(guān)。當(dāng)發(fā)生這個(gè)的時(shí)候，合成的SU位置估量可能缺乏準(zhǔn)確性。在這樣一種情況，將拒絕SV測量結(jié)果。將一個(gè)通過/失敗信號(hào)408傳送到分析處理以表明置信度處理推斷出所收集的測量不能通過可靠性測試。也向測量處理402提供一個(gè)復(fù)位信號(hào)410以使測量處理402刪除一些或全部當(dāng)前測量數(shù)據(jù)并且從SV收集新的測量。對(duì)于由測量處理所確定的位置估量，置信度處理406然后確定可靠性測量。僅僅當(dāng)可靠性測量超過了一個(gè)閾值的時(shí)候，無源地面定位裝置400才報(bào)告地球上用戶單元的一個(gè)位置。這個(gè)數(shù)據(jù)是包括在位置信號(hào)412中。將位置信號(hào)傳送到發(fā)送器62以將用戶單元的位置傳送到系統(tǒng)10。下面將結(jié)合圖5詳細(xì)描述置信度處理406的細(xì)節(jié)。
圖5示出了依據(jù)本發(fā)明在一個(gè)包括有多個(gè)環(huán)繞地球的衛(wèi)星的無線通信系統(tǒng)中的一個(gè)用戶單元中的一種地面定位方法的流程圖。該方法從步驟502開始。在步驟504，用戶單元從一個(gè)或是多個(gè)衛(wèi)星收集位置數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)限制條件允許足夠的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的時(shí)候，將一個(gè)單獨(dú)的衛(wèi)星作為一個(gè)位置數(shù)據(jù)源是足夠的。但是在一些系統(tǒng)中，例如Iridium系統(tǒng)中，必須在一個(gè)指定的時(shí)間內(nèi)完成無源地面定位處理。這個(gè)指定時(shí)間不允許單個(gè)的衛(wèi)星進(jìn)行足夠的運(yùn)動(dòng)以使用戶單元能從單個(gè)的衛(wèi)星獲得可靠的數(shù)據(jù)。因此，在一些系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)收集最好是從兩個(gè)或更多個(gè)位置獲得的。在步驟506，使用位置數(shù)據(jù)，用戶單元形成一個(gè)或多個(gè)地球上用戶單元位置的估量。現(xiàn)在將詳細(xì)的描述這個(gè)處理。
依據(jù)本發(fā)明的無源地面定位方法是基于一個(gè)球形方程的方程組的解的。分別通過坐標(biāo)(x，y，z)和(xi，yi，zi)來定義SU和一個(gè)給定的SV的位置。Re表示地球在赤道附近的半徑，Rs表示一個(gè)給定的SV與地球中心之間的距離。這些定義帶來下面的兩個(gè)定義x2+y2+z2＝Re2(1)和xi2+yi2+zi2＝Rs2(2)這里i∈{0，1，...N}，N+1是SV的數(shù)量。由于地球和SV軌道路徑實(shí)際上都是橢圓的，因此對(duì)于給定問題方程(1)和方程(2)都只是大致的限定條件。但是，方程(1)和方程(2)都是非常準(zhǔn)確的近似。此外，應(yīng)該注意方程(1)和方程(2)僅僅是近似值，它們涉及到無源地面定位方法的推導(dǎo)。這個(gè)的意義在于可以將該方法認(rèn)為是對(duì)于無源地面定位問題的一種準(zhǔn)確的解，是在圓形的地球和SV軌道近似的準(zhǔn)確性之內(nèi)。大氣的條件也將會(huì)影響光的速度，但沒有被考慮進(jìn)去。
對(duì)于第一個(gè)測量的SV，不變的距離延遲的球形是(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝R2(3)其中R表示距離延遲。沒有從系統(tǒng)的反饋，如在無源地面定位的情況下那樣，不可能沒有一些未知的偏差(unknown bias)而測量R。僅有的可測量的量是距離延遲的差值，相對(duì)于某一初始的距離延遲測量，R，對(duì)于第i個(gè)SV將其表示為Δi。對(duì)于接下來的N次測量，方程是(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝(R+Δi)2(4)這里i∈{0，1，...N}。由于在SU位置中有三個(gè)未知量，因此有必要使N≥3。當(dāng)代入(1)和(2)時(shí)展開方程(4)給出xix+yiy+ziz＝1/2(Re2+Rs2-R2-2RΔi-Δi2) (5)從(3)中減去(5)并且再次合并(1)和(2)產(chǎn)生x0-x1y0-y1z0-z1x0-x2y0-y2z0-z2………x0-xNy0-yNz0-zNxyz=RΔ1Δ2…ΔN+12Δ12Δ22…ΔN2,....(6)]]>
這是變量(x，y，z)的線性方程組。
通過廣為所知的偽逆(pseudo-inversion)很容易獲得對(duì)于(6)的最小平方解。但是，因?yàn)镽仍然是一個(gè)未知的量，仍沒有完成解。通過承認(rèn)方程(6)的解也必須滿足方程(1)能夠避免這個(gè)問題。為了理解怎樣才能引入方程(1)，作出下面的定義。將差分的SV位置矩陣表示為D=x0-x1y0-y1z0-z1x0-x2y0-y2z0-z2………x0-xNy0-yNz0-N,......(7)]]>并且將投影的差分(projected differential)和平方投影的差分距離延遲向量分別表示為u＝(DTD)-1DT[Δ1Δ2...ΔN]T(8)和ν＝1/2(DTD)-1DT[Δ12Δ22...ΔN2]T(9)記住(DTD)-1DT是D的偽逆并且是用來解決線性最小二乘(LLS)問題的操作符。為了保證DTD不是奇異的或接近奇異的，從盡可能多的不同的SV進(jìn)行測量是理想的。如果必須從一個(gè)單獨(dú)的SV進(jìn)行非常多的測量，那么在相臨的測量之間必須要有足夠的時(shí)間分隔。這樣做允許一個(gè)給定的SV有效的改變它的位置以減少任何兩個(gè)差分的SV位置向量是線性相關(guān)的幾率，特別是在當(dāng)量化噪聲破壞了差分SV位置矩陣D的時(shí)候。
以剛剛定義的向量的形式，SU的位置也可以被表示為P＝RU+ν (10)當(dāng)代入到方程(1)的向量形式的時(shí)候，會(huì)有R2uTu+2RuTν+νTν＝Re2(11)它使得方程(11)中的R能夠被任何方式的二次公式所解出，這樣做會(huì)帶來R=-u-T±(u-Tv-)2-u-Tu-(v-Tv--Re2)u-Tu-....(12)]]>這樣，與方程(12)相結(jié)合，方程(10)提供了想要的結(jié)果p，它是SU在地球上的位置。
一個(gè)立即出現(xiàn)的復(fù)雜問題是方程(12)通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)截然不同的解。但是，如果兩個(gè)解中的一個(gè)落在了最小的可能的距離值的后面，那么可能將這個(gè)刪掉并且選擇另一個(gè)解作為R的正確估量。如果兩個(gè)距離估量都在最小的可能的距離值之上，那么要要求附加的值，例如射束中心，目的是區(qū)分實(shí)際的和映像距離估量。前一種情況被稱為唯一解的情況，其中后一種情況被稱為是不確定解的情況。當(dāng)對(duì)于R的估量是復(fù)共軛對(duì)的時(shí)候，就出現(xiàn)了一個(gè)更嚴(yán)重的情況，一種被稱為復(fù)數(shù)解的情況。在這樣一種情況僅有的合理的幫助是設(shè)定R=u-Tv-u-Tu-,.....(13)]]>它是方程(12)的實(shí)數(shù)部分。無源地面定位方法的大多數(shù)方程都是唯一的解的情況是最理想的。
如它所證明的，偽逆是所提出的無源地面定位方法中最敏感的操作。這是由于如果D中的差分SV位置向量彼此之間沒有表示出足夠的無關(guān)，那么SV中心所現(xiàn)存的量化噪聲將被放大。如果發(fā)生了這個(gè)，DTD被稱為是弱條件的，并且結(jié)果的SU位置估量也傾向于是弱的。因此有必要規(guī)范DTD所限定的條件的程度。如果認(rèn)定DTD是弱條件的，那么應(yīng)該停止該方法，并且應(yīng)該采用一套新的測量來重建D。
一個(gè)矩陣的條件(condition of a matrix)是它的特征值的一個(gè)函數(shù)。如果一個(gè)矩陣具有接近零的特征值，那么該矩陣的逆對(duì)于它的分量的任何微擾都是高度敏感的。這樣就能夠計(jì)算DTD的特征值以確定它的條件。但是，一個(gè)更簡單的途徑是計(jì)算DTD的行列式，這是由于一個(gè)矩陣的行列式與它的特征值的乘積相等。DTD的行列式的值越低，DTD的條件就越弱。這樣能夠?qū)et(DTD)和一個(gè)預(yù)定的閾值相比較，以決定結(jié)果的SU位置估量是否足夠正確。如果det(DTD)落在了閾值的后面，那么應(yīng)該扔掉當(dāng)前的測量并且應(yīng)該重新設(shè)置當(dāng)前的無源地面定位方法。由于det(DTD)會(huì)隨它的特征值的大小的而可能進(jìn)行變化，只是基于det(DTD)的一個(gè)條件可能要求一個(gè)自適應(yīng)的閾值。這個(gè)問題能夠通過規(guī)范化det(DTD)來解決，這樣條件測量主要就是DTD的特征值的一個(gè)相對(duì)分布函數(shù)。盡管存在著大量的規(guī)范DTD的方案，但是一種特別有效的條件測量是C(D)=det(DTD)(max(dii))3,.......(14)]]>這里i∈{1，2，3}，dii是DTD的第i個(gè)對(duì)角元素。方程(14)中的條件測量是一個(gè)無單位的量。
從上面的推斷，現(xiàn)在可以進(jìn)一步描述無源地面定位方法的步驟。在步驟504，如上面所注意的，對(duì)N+1次SV測量進(jìn)行累加，其中對(duì)于i∈{0，1，...，N}，SV測量包括一個(gè)SV中心坐標(biāo)網(wǎng)格代碼，(xj，yj，zj)和幀的到達(dá)時(shí)間，TOAi。由下面給出差分的距離延遲Δi＝c(TOAi-TOA0)， (15)其中c是光速。最好是，從不同的SV進(jìn)行所有的SV測量。但是，由于N+1個(gè)不同的SV不可能總是可見的，可以對(duì)一個(gè)單獨(dú)的SV進(jìn)行兩次或多次測量，還要這兩次測量之間的時(shí)間間隔超過一個(gè)最小的時(shí)間閾值Tm。Tm可以例如為60秒。
作為一種減少與無源地面定位計(jì)算相關(guān)的復(fù)雜性的方法，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，SU并不每一幀都掃描尋找的新的SV測量選擇。代替的是，以固定的計(jì)劃進(jìn)行重復(fù)掃描，例如60.48秒的重復(fù)掃描周期。并且可能將舊的掃描數(shù)據(jù)扔掉，并且在重復(fù)掃描處理期間，用新的數(shù)據(jù)來代替舊的掃描數(shù)據(jù)。在SV測量處理上強(qiáng)加這個(gè)重復(fù)掃描結(jié)構(gòu)，無源地面定位的性能將被稍稍降低。但是，這個(gè)降低是很小的，在步驟505，圖5的方法確定是否必須執(zhí)行重復(fù)掃描。如果是這樣，執(zhí)行繼續(xù)到步驟504。否則，執(zhí)行繼續(xù)到步驟506。
一旦已經(jīng)獲得了N+1次測量，能夠在步驟506在方程(7)中構(gòu)造出D。在這點(diǎn)，應(yīng)該從方程(14)計(jì)算出C(D)，并且在步驟508將其與一個(gè)閾值CM做比較，CM表示一個(gè)最小允許的可靠度，CM的確定主要以經(jīng)驗(yàn)為主。如果C(D)＜CM，那么必須扔掉當(dāng)前的SV測量集合，并且必須要求一個(gè)SV測量的新的集合，控制返回到步驟504。如果D有一個(gè)足夠的可靠度，那么就能夠構(gòu)造出方程(8)和(9)中的u和ν，并且在方程(12)中使用它們解出R。如果(uTν)2-uTu(νTν-Re2)＜0，那么應(yīng)該通過方程(13)來解出R。
在步驟510，進(jìn)行一次映射拒絕檢測(image rejection check)。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，第一次測試是用來確定最小距離延遲R的有效性。由于對(duì)于R存在兩種解，從下面的一系列測試中推斷出最可能與實(shí)際相對(duì)應(yīng)的解。首先，將R的兩個(gè)估量都與一個(gè)閾值RM相比較，RM等于對(duì)于距離延遲的最小的可能值。例如RM的一個(gè)值可能是764.876km。應(yīng)該將小于RM的R的解扔掉，留下另外一個(gè)R的估量作為實(shí)際的距離延遲。由于最小距離延遲會(huì)經(jīng)SV到達(dá)它的標(biāo)稱軌道的準(zhǔn)確性而有不同，所以應(yīng)該引入一些緩沖或是允許誤差。例如RM＝750.5km可能是一個(gè)好的選擇，后面將使用這個(gè)值。使用一個(gè)最大的延遲閾值也是切實(shí)可行的。如果R的兩個(gè)解都大于或是等于RM，那么在第二次測試中，將與具有最高功率射束的射束中心最接近的R的解作為實(shí)際的距離延遲估量。
在步驟512，將地面定位估量作為地球上用戶單元的位置進(jìn)行報(bào)告。在某一應(yīng)用中，由無源地面定位裝置400(圖4)向用戶單元的控制處理進(jìn)行報(bào)告。但在Iridium系統(tǒng)中進(jìn)行工作的時(shí)候，用戶單元必須確定什么時(shí)候向系統(tǒng)進(jìn)行再登記。這個(gè)確定部分上是基于用戶單元離最后一次登記位置的距離。如果SU確定無源地面定位裝置400所報(bào)告的它當(dāng)前的位置，與最后登記位置的距離大于距離閾值，那么SU初始化一次登記處理并且向系統(tǒng)進(jìn)行登記。在其它的應(yīng)用中，由無源地面定位裝置400所確定的位置報(bào)告也可能是由SU直接報(bào)告給系統(tǒng)的。
由于無源地面定位方法沒有一個(gè)固定的執(zhí)行時(shí)間，因此可能出現(xiàn)的一種情況是在一個(gè)五或是十分鐘的時(shí)期內(nèi)不能收集到SV測量的可靠的集合。如果出現(xiàn)了這樣一種情況，用戶單元應(yīng)該再次向系統(tǒng)進(jìn)行登記。
如上面所描述的，必須選擇最小置信度閾值，CM，這樣當(dāng)估計(jì)的SU位置錯(cuò)誤不能忍受的時(shí)候，只需要復(fù)位無源地面定位方法。為了提高估量準(zhǔn)確性，應(yīng)該將CM選擇的盡可能的高。但是，無源地面定位方法的執(zhí)行時(shí)間和計(jì)算的復(fù)雜性也會(huì)隨著CM的減少而減少。為了解決這個(gè)問題，可以通過在不同的緯度和對(duì)于不同N的值模擬該方法來經(jīng)驗(yàn)選擇CM。一組解生成一個(gè)示例性的值CM＝1×10-5。也可能使用其它的適當(dāng)?shù)闹怠?br> 如已經(jīng)討論的，必須在一個(gè)單獨(dú)的SV的測量之間強(qiáng)加一個(gè)最小的時(shí)間間隔，目的是確保差分的SV位置矩陣D是很好地達(dá)到要求的。由于在任何兩個(gè)SV之間的分離都是十分明顯的，因此無須在不同的SV的測量之間的時(shí)間上強(qiáng)加限定。事實(shí)上，當(dāng)盡可能快的完成來自不同的SV的測量的時(shí)候，性能也得到了提高。這是因?yàn)殡S著第一個(gè)(基準(zhǔn))和最后一個(gè)的SV測量之間的時(shí)間的擴(kuò)展，SU時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差(1ppm)的影響也將變的更加明顯。出于這個(gè)原因，最好將一個(gè)單獨(dú)的SV的測量之間的最小時(shí)間間隔固定到TM＝60秒。一個(gè)大于120秒的測量間隔就會(huì)使時(shí)鐘偏差明顯的支配所有其它的誤差項(xiàng)。更短的測量間隔減少了無源地面定位方法的執(zhí)行間隔。
在模擬的基礎(chǔ)上，依據(jù)本發(fā)明的無源地面定位方法具有幾個(gè)可以看得見的特性。增加所采用的測量的最小數(shù)量和就此建立一個(gè)超定的方程組(即一個(gè)方程組所具有方程的數(shù)量多于變量的數(shù)量)減少了方法對(duì)量化和測量噪聲的敏感性并且能夠提高性能結(jié)果。大多數(shù)從使用一個(gè)過采樣系統(tǒng)所獲得的增益都好象是以N＝4獲得的。應(yīng)該注意盡管對(duì)于N＝4，CM＝1×10-5是一個(gè)很好的選擇但是對(duì)于N＞4，它可能還是太低了?？傊?，SU位置估量的準(zhǔn)確性和C(D)的平均值都隨著N的增長而得到了提高。
從前面可以看到，本發(fā)明提供的由一個(gè)用戶單元進(jìn)行無源地面定位的方法和裝置是一個(gè)無線通信系統(tǒng)。本發(fā)明也非常適合于在近地軌道(LEO)衛(wèi)星的系統(tǒng)中使用，例如Iridium系統(tǒng)，因?yàn)閷?duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)它使用了適當(dāng)?shù)慕坪秃喕?。由于在一個(gè)LEO系統(tǒng)中，例如GPS系統(tǒng)，更少的衛(wèi)星是可見的，因此本發(fā)明提供可從相同的空間飛行器或是衛(wèi)星進(jìn)行多次測量。本發(fā)明比起GPS系統(tǒng)解一個(gè)更簡單更缺乏準(zhǔn)確性的方程組，主要的復(fù)雜性的簡化是從對(duì)地球的圓形近似和對(duì)于用戶單元的高度不變的假定。通過進(jìn)行大于最小數(shù)量次數(shù)的測量和解一個(gè)過定的方程組，本發(fā)明在一個(gè)無線通信系統(tǒng)中容納了更多的計(jì)時(shí)不準(zhǔn)。最后，本發(fā)明提供一個(gè)置信度處理，它保證了對(duì)于所解的方程組線性獨(dú)立這一假定的置信度的最小等級(jí)。在GPS系統(tǒng)中這樣一個(gè)置信度處理是不必要的，因?yàn)樵贕PS中所有的測量都是從唯一的衛(wèi)星進(jìn)行的并且方程都是必須無關(guān)的。此外，GPS衛(wèi)星具有更高的精確度的時(shí)鐘并且能夠進(jìn)行更準(zhǔn)確的到達(dá)時(shí)間的測量。
雖然表示和描述了本發(fā)明的一種特定的實(shí)施方式，但是還可以進(jìn)行修改。在所附權(quán)利要求中覆蓋在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)的所有變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種在包括多個(gè)環(huán)繞地球的衛(wèi)星的無線通信系統(tǒng)中操作一個(gè)用戶單元的方法，該方法包括步驟在用戶單元，從一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星收集位置數(shù)據(jù)；使用位置數(shù)據(jù)，形成用戶單元在地球上位置的一個(gè)或多個(gè)估量；和當(dāng)一個(gè)估量的置信度測量超過了一個(gè)閾值的時(shí)候，將該估量作為用戶單元在地球上的位置進(jìn)行報(bào)告。
2.權(quán)利要求1的方法還包括步驟確定與位置數(shù)據(jù)的相應(yīng)的置信度測量；和將置信度測量與一個(gè)預(yù)定的置信度閾值相比較。
3.權(quán)利要求1的方法，其中置信度測量是位置數(shù)據(jù)的線性相關(guān)測量。
4.權(quán)利要求1的方法，其中置信度測量是表示來自一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星的差分位置數(shù)據(jù)的一個(gè)矩陣的條件。
5.權(quán)利要求1的方法，其中收集位置數(shù)據(jù)的步驟包括收集多個(gè)數(shù)據(jù)集，至少是從相同的衛(wèi)星起源的兩個(gè)數(shù)據(jù)集。
6.權(quán)利要求5的方法還包括步驟，對(duì)于用戶單元，當(dāng)最小數(shù)量的衛(wèi)星是不可見的時(shí)候，在收集第一個(gè)數(shù)據(jù)集合之后，收集第二個(gè)數(shù)據(jù)集合之前，等待一個(gè)最小時(shí)間閾值。
7.權(quán)利要求1的方法還包括步驟，從用戶單元的位置的一個(gè)或多個(gè)估量確定最有可能與用戶單元的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括步驟確定一個(gè)距離延遲的最少兩個(gè)估量；將至少兩個(gè)距離延遲的估量與一個(gè)預(yù)定的閾值相比較；將與大于預(yù)定的閾值的距離延遲的一個(gè)估量相對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置作為最后可能與用戶單元的實(shí)際位置相對(duì)應(yīng)的位置。
9.一個(gè)工作在包括多個(gè)環(huán)繞地球的衛(wèi)星的無線通信系統(tǒng)中的用戶單元，該用戶單元包括單個(gè)接收器，用于從一個(gè)或多個(gè)衛(wèi)星接收信號(hào)；一個(gè)與接收器相連接的控制器，該控制器包括測量處理裝置用于響應(yīng)接收器接收的信號(hào)，從多個(gè)衛(wèi)星中的兩個(gè)或是多個(gè)衛(wèi)星中收集數(shù)據(jù)，分析處理裝置，它分析位置數(shù)據(jù)并且確定用戶單元在地面上所可能的一個(gè)或多個(gè)位置，和置信度處理裝置，它響應(yīng)于位置數(shù)據(jù)，確定什么時(shí)候位置數(shù)據(jù)滿足一個(gè)置信度標(biāo)準(zhǔn)以確保用戶單元的一個(gè)或多個(gè)可能的位置足夠準(zhǔn)確。
10.權(quán)利要求9的用戶單元，還包括一個(gè)發(fā)送器用于向多個(gè)衛(wèi)星中的一個(gè)衛(wèi)星發(fā)送用戶單元的確定的位置，其中確定的位置是用戶單元在地面上可能的位置中的某一個(gè)。
全文摘要
在一個(gè)衛(wèi)星無線通信系統(tǒng)(10)中由一個(gè)用戶單元(24)進(jìn)行無源地面定位的一種方法和裝置。在用戶單元,從用戶單元可見的衛(wèi)星收集(504)位置數(shù)據(jù)。使用位置數(shù)據(jù),解方程以形成用戶單元在地面上的位置的一個(gè)或多個(gè)估量(506)。在一個(gè)置信度處理中,計(jì)算一個(gè)可靠性量度并將其與一個(gè)閾值相比較(508)以確保方程的解足夠準(zhǔn)確。只有如果超過了置信度閾值,用戶單元就將一個(gè)估量作為它在地面上的位置進(jìn)行報(bào)告(13)。也可能使用該估量來確定是否系統(tǒng)再登記是值得的。
文檔編號(hào)H04B7/15GK1250266SQ9911053
公開日2000年4月12日 申請日期1999年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月24日
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