CN1250266A - 卫星通信系统中进行无源地面定位估算的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在一个卫星无线通信系统(10)中由一个用户单元(24)进行无源地面定位的一种方法和装置。在用户单元,从用户单元可见的卫星收集(504)位置数据。使用位置数据,解方程以形成用户单元在地面上的位置的一个或多个估量(506)。在一个置信度处理中,计算一个可靠性量度并将其与一个阈值相比较(508)以确保方程的解足够准确。只有如果超过了置信度阈值,用户单元就将一个估量作为它在地面上的位置进行报告(13)。也可能使用该估量来确定是否系统再登记是值得的。

Description

卫星通信系统中进行无源地面定位估算的方法和装置

本发明通常是关于无线远程通信系统。特别是，本发明是关于这样的无线远程通信系统，在这些系统中通信是通过卫星进行转接的，并且在系统中必须确定用户单元的位置。

在已经实现的或是已建议的无线远程通信系统中，一个用户单元与系统基础结构进行选择性的无线通信。这样的系统允许与系统内和系统外的声音和数据的无线通信。用户单元可能将一个呼叫放到基础结构，由基础结构适当地路由呼叫，包括将呼叫路由到电话公众交换网。可能由系统从系统外部接收一个呼叫，再由基础结构路由到用户单元。基础结构可能包括卫星，蜂窝基站或这些的连接。一个卫星无线远程通信系统的例子是IRIDIUM^@系统。IRIDIUM^@是Iridium，LLC的一个商标。

在任何蜂窝或卫星通信系统中，用户(移动的)单元都必须登记它当前在系统中的位置，这样才可能通知它们有呼入。当接收到一个呼入的时候，系统将一条振铃消息(ring message)发送到用户单元。用户单元检测到振铃消息，完成通信链接并且继续进行呼叫。

但是，当一个用户单元登记的时候或是将一条振铃消息发送给用户单元的时候，登记通信和振铃消息都要消耗系统资源，例如发射时间。最好是将这样的资源分配给声音和数据通信，而不是系统信令。为了减少系统资源的负担，仅仅将振铃消息发送到用户单元所在的服务区。这样，系统必须具有用户单元的位置信息，目的是在适当的服务区内发送振铃消息。这个信息是由登记通信所提供的。

但是，用户单元登记的过于频繁也会消耗系统资源，会明显的降低系统的处理能力。为了缓解这个问题，许多系统只记录每一个用户单元最后登记的服务位置并且只要求定期进行再登记。为了进一步减少登记通信量，在一些系统中，例如Iridium系统，要求用户单元估算它们当前的位置并且只有当用户单元明显的远离最后登记的服务区的时候才进行登记。只要求用户单元，仅仅根据测得的可见的卫星的振铃消息的到达时间(TOA)和卫星间的相对位置来无源估算它的位置。

另外一个已知的系统，提供了使用从绕轨道运行的卫星来的数据进行无源地面定位。全球定位系统(GPS)在中等的地球轨道上具有大量的卫星，它们是同步的并且发送数据，根据它们，地球表面的GPS单元可以确定它们的大致位置。

无线电话或用户单元运行在一个无线远程通信系统中的条件强迫它使用与GPS单元不同的地面定位技术。例如，无线电话包括数据处理能力但是通常不具有大量的或是复杂的数学处理所要求的计算能力。许多无源地面定位算法解决了复杂的非线性优化问题，但并不很适合在一个无线电话中实现。

此外，无源地面定位估算对于系统卫星之间的同步误差和用户单元接收器中的时钟偏差是高度敏感的，并且用户单元必须对这样的误差作出补偿。这个时钟偏差可能高达百万分之一(ppm)。在Iridium系统中，卫星仅仅同步到十亿分之二十(20ppb)。GPS卫星是基于原子钟进行同步的。这样能够更加精确的同步，例如达到每兆(trillion)之一(1ppt)之内。

此外，在近地轨道(LEO)系统之中，例如Iridium系统之中，在任何给定的时间只有几个卫星是可见的。在最坏的情况下，在赤道只有一个卫星是可见的。用户单元必须能够在扩展时间段上收集TOA测量和卫星位置信息。这个额外的数据收集时段扩大了时钟偏差，带来了实质上的估量误差。GPS卫星是在半地球同步轨道(离地球表面20，183km)，比起LEO系统，例如Iridium，有更多数量的卫星可见(6到11个卫星)。GPS测量能够在一个非常短的时段上被收集到，这样减少接收器中时钟偏差的问题。

因此，在本技术中需要一种方法和装置，由一个用户单元来进行无源地面定位，克服上述这些问题。

在所附的权利要求书中具体阐述了本发明的这些新特点。通过参考下面的描述，与附图一起可以最好的理解本发明，还有目标和优点，在几张附图中相同的参考数字代表相同的元件，并且其中：

图1示出了一个基于卫星的无线远程通信系统；

图2表示的是由图1的中无线远程通信系统的一个卫星在地球表面上所形成的一个蜂窝模型；

图3是图1中的无线远程通信系统中所使用的一个用户单元的框图；

图4是一个运行框图，示出了依据本发明的一个无源地面定位装置，它可能是在图3中的用户单元中实现的；并且

图5示出了依据本发明的一种地面定位方法的流程图。

现在参考图1，它示出了一个基于卫星的无线远程通信系统10。系统10包括由几个位于地球13周围相对近地的轨道中的卫星14组成的一个星群12。在这里也将卫星14称为空间飞行器或SV。

此外系统10还包括一个或多个交换局16，也称为网关。交换局16位于地球的表面并且与附近的卫星通过射频(RF)通信信道18进行无线通信。卫星14相互之间也通过通信信道20进行无线通信。这样，通过卫星14的星群12，交换局16最好与一个或多个特定的区域相关联。交换局16与公共交换通信网(PSTN)22相连接，能够接收到从它发出的要到达系统10的用户的呼叫，并且也能够发送出系统10的用户所发送的呼叫。

系统10包括任何数量的用户单元24。用户单元在这里也被称为SU。用户单元24可能被配置为常用的便携式的无线通信设备。换句话说，用户单元可能是电池供电的，可能消耗相对较低的功率，并且可能包括相对较小的天线。系统10容纳用户单元24在地球表面或附近的任何位置的运动。将用户单元配置为与卫星14在为该用途所分配的部分电磁波频谱上进行无线通信。用户单元14与附近的卫星14在通信信道26之上进行通信。

在系统10中包括任何数量的用户信息管理器28(也称为SIM)。每一个用户管理器20保存一个用户数据库，它只与用户单元24的总数的一个分立部分相关。该数据库可能包括与用户单元24相关特征的信息，与用户单元24相关的计帐费率，用户单元24的当前位置和其它信息。对于每一个用户单元24都分配了用户信息管理器28的一个。每一个SIM可能与每一个交换局16相关联并且甚至可能使用相同的计算机化的设备。

总之，可以将系统10看作是一个结点的网络。每一个用户单元24，卫星14，交换局16和用户信息管理器28都代表系统的一个结点。系统10的所有结点是或可能通过通信信道18，20和26与系统10的其它结点进行通信。此外，系统10的所有结点是或是可能通过PSTN 22与分散在全世界的其它电话装置进行通信。依据卫星14的配置，至少有一个卫星14在任何时间都在地球表面的每一个点的视域中。通信服务，包括呼叫，可能是建立在两个用户单元24之间或是建立在任何一个用户单元24和一个PSTN电话号码之间。呼叫可能是建立在地球上的任何两个位置之间。通常讲，在呼叫建立期间每一个用户单元通过星群12与一个附近的交换局16进行控制通信。这些控制通信是在用户单元24和系统内部或是系统外部的另一个单元之间形成一条通信路径之前进行的。

由于是近地轨道，卫星14不断的相对于地球进行移动。在优选的实施方式中，卫星14在地球上500-1000km高度范围的轨道上移动。例如如果将卫星放置在地球上空大约765km的轨道上，那么空中的卫星14相对于地球表面上一点以大约25,000km/hr的速率进行移动。

也是由于卫星14的相对近地的轨道，从任何一个卫星发出的视线电磁传输在任一时间点都只能覆盖地球上的一个相对较小的区域。例如，当卫星占据在地球上空大约765km的轨道的时候，这种传输可能覆盖直径为4000km的区域。

图2表示的是图1的系统10中的一个卫星14在地球的表面上所形成的一个蜂窝模型。每个卫星14都包括一个定向天线阵列32。每一个阵列32在地球的表面上相对卫星14以多个不同的角投射出大量离散的天线图案或是射束。图2表示的是卫星14在地球的表面上形成的小区34的一个合成模型。其它的卫星(没有表示)形成其它的覆盖区(没有表示)与图2中所示的覆盖区30相邻接，这样小区34实际上覆盖了地球的全部表面。

覆盖区30中的每一个小区(cell)34在覆盖区30中都占有一个唯一的位置。通过使用小区标识将这些位置区分开来，在图2中将这些小区标识表示为数字1到48。通过识别覆盖所感兴趣的一个位置的一个小区34可以获得一定程度的位置信息。卫星14最好是在预定的轨道上环绕地球。换句话说，通过将时间点和已知的轨道的几何结构相结合起来可以及时的确定在一个特定时间点的一个卫星的位置。通过将覆盖区30内的一个小区的位置与卫星的位置相结合起来，能够确定地球上的一个位置。

为了方便，图2中示出的小区34和覆盖区30是离散的，通常是没有重叠或间隙的六角形。但是可以理解在实际的实现中，从卫星14的天线所投射出的等强度线更可能是圆形或是椭圆的而不是六角形的，天线旁瓣可能会使图案变形，一些小区34可能会比其它小区34覆盖更大的区域，并且可以预计到在相临的小区之间会有一些重叠。

系统10(图1)使用电磁波频谱的一个有限部分通过卫星14与所有的用户单元24进行通信。对于不同的系统，通信方法的精确参数和所分配的频谱各不相同。例如，可能将频谱分成离散的频带，离散的时段，离散的编码技术或是这些的联合以形成离散的信道集。理想的情况是，这些离散的信道集中的每一个对于所有其它信道集都是正交的。换句话说，可在同一个位置通过每一个信道集同时进行通信而没有明显的干扰。

每一个卫星14都与一个最低点方向相关联。最低点方向是由从卫星14向地球中心延伸的一条假想的线(没有表示)所定义的。对于一个给定的卫星14，一个接地点位于最低点方向与地球13相交的地点。当卫星14在它的轨道中环绕地球移动的时候，这个接地点形成一个地面轨迹36。从卫星14所发送的每道射束投射到地球表面上的一个预定区域。这个区域的中心就是射束中心。

图2中示出了一点38，它示出了在某个特定时间点一个用户单元24在地球表面上的一个示例位置。当卫星14相对于地球13进行移动的时候，覆盖区30和小区34同样也相对于地球进行移动，每个小区的射束中心也同样移动。作为这种移动的结果，通过小区34形成一个用户单元的小区轨迹40。

图3表示的是在图1的系统10中所使用的一个用户单元48的一张框图。用户单元48包括一个接收器50，接收器缓冲区52，一个控制器54，一个定时器56，存储器58，发送缓冲区60，发送器62和输入/输出部分64。接收器50在通信信道26上从一个或多个卫星接收信号。接收器50与一个接收缓冲区52相连接，缓冲区52临时存储接收器50所接收到的数据。

控制器54与接收缓冲区52和接收器50相连接。控制器54此外还与一个定时器56，存储器58，发送缓冲区60和发送器62相连接。控制器54通常包括一个或多个处理器，例如一个微处理器和数字信号处理器。控制器64使用定时器56，通过维护当前的日期和时间以帮助监控实时的时间。

存储器58包括数据，该数据是作为对控制器54的指令，并且当控制器54执行该指令的时候就会引起用户单元48执行下面所描述的处理。此外，存储器58包括变量，表和数据库，依据用户单元48的操作对它们进行处理。使用发送缓冲区60来临时存储控制器54放置在这里的数据。控制器54与发送器62相连接以控制发送的参数，例如频率，定时等参数。

发送缓冲区60与发送器62相连接。发送器62发送调制的信号以传送存储在发送缓冲区60中的数据。在信道26上发送这些信号。控制器54也与输入/输出部分64相连接。输入/输出部分64可能包括一个话筒，扬声器，数字转换器，声码器，译码器，小键盘和显示器以在声音和与系统10(图1)相兼容的数字化包之间进行转换。

图4是一个工作的框图，示出了依据本发明的一个无源地面定位装置400，并且它可以在图3的用户单元48中实现。无源地面定位装置400可能是以硬件或是软件实现的。在一种实施方式中，装置400是由存储在存储器58(图3)中的一个或多个软件例程来实现的并且是由用户单元48中的控制器54来执行的。在这种情况下，图4中所示出的无源地面定位装置400的每个组件都代表软件程序中的一个例程或是子例程。控制器54是一个通用的处理器，当对无源地面定位装置400进行编程的时候，该处理器就变成了一个特定用途的处理器。无源地面定位装置400包括一个测量处理402，一个分析处理404，和一个置信度处理406。

测量处理402和从与用户单元48进行无线通信中的卫星收集到达时间(TOA)估量和卫星中心坐标。这个数据包括在接收器50(图3)所接收的一个数据信号414中。在这里将TOA估量和对于一个特定卫星的卫星中心坐标称为一个数据集。在优选的实施方式中，由卫星在一个标准通信中报告卫星的中心坐标。例如在Iridium系统中，定期的从每一个卫星广播一条环行信道(ring channel)以向与卫星通信的用户单元传送系统信息。环行信道包括表示卫星的卫星中心坐标和射束中心坐标的数据。TOA估量是通过测量从卫星发出的数据，例如卫星的环行信道的到达时间来获得的。测量处理收集和存储来自尽可能多的卫星的数据，最好是三个或是更多。还有，当不能获得三个或更多卫星的时候，可能从相同的一个卫星或多个卫星收集在时间上分散的几个数据点，下面将对其进行更详细的描述。

当在Iridium系统中进行操作的时候，测量处理402必须从几个唯一的卫星或是空间飞行器或SV，对环行信道时分多址脉冲串进行测量。依据本发明的一个方面，利用Iridium系统的环行信道的周期性，测量处理402允许测量处理402只使用一个接收器(接收器50)(图3)进行所有测量。经常是，在足够短的时长中，一个SU不能同时见到足够数量的唯一的SV。这样，测量处理402必须对同一SV进行多次在时间上由最小的时间间隔所分隔的测量。在一个例子中，最小的时间间隔是60秒，但是也可以使用其它合适的时间间隔。

分析处理404与测量处理402相连接，并且解一个方程组以确定一对可能的用户单元(SU)位置。通过删除不能通过最小距离延迟有效性检测或是离最近的已知射束中心最远的解来确定最可能的SU位置。这个处理有时被称为三角测量法。依据本发明，做了一个简化的假定，地球是球形的并且所解的方程组是一个球形方程的方程组。下面将结合图4来详细描述分析处理404的操作的细节。

置信度处理406与分析处理404相连接并确定什么时候SV中心测量接近线性相关。当发生这个的时候，合成的SU位置估量可能缺乏准确性。在这样一种情况，将拒绝SV测量结果。将一个通过/失败信号408传送到分析处理以表明置信度处理推断出所收集的测量不能通过可靠性测试。也向测量处理402提供一个复位信号410以使测量处理402删除一些或全部当前测量数据并且从SV收集新的测量。对于由测量处理所确定的位置估量，置信度处理406然后确定可靠性测量。仅仅当可靠性测量超过了一个阈值的时候，无源地面定位装置400才报告地球上用户单元的一个位置。这个数据是包括在位置信号412中。将位置信号传送到发送器62以将用户单元的位置传送到系统10。下面将结合图5详细描述置信度处理406的细节。

图5示出了依据本发明在一个包括有多个环绕地球的卫星的无线通信系统中的一个用户单元中的一种地面定位方法的流程图。该方法从步骤502开始。在步骤504，用户单元从一个或是多个卫星收集位置数据。当系统限制条件允许足够的时间进行数据收集的时候，将一个单独的卫星作为一个位置数据源是足够的。但是在一些系统中，例如Iridium系统中，必须在一个指定的时间内完成无源地面定位处理。这个指定时间不允许单个的卫星进行足够的运动以使用户单元能从单个的卫星获得可靠的数据。因此，在一些系统中，数据收集最好是从两个或更多个位置获得的。在步骤506，使用位置数据，用户单元形成一个或多个地球上用户单元位置的估量。现在将详细的描述这个处理。

依据本发明的无源地面定位方法是基于一个球形方程的方程组的解的。分别通过坐标(x，y，z)和(x_i，y_i，z_i)来定义SU和一个给定的SV的位置。R_e表示地球在赤道附近的半径，R_s表示一个给定的SV与地球中心之间的距离。这些定义带来下面的两个定义：

                x²+y²+z²＝R_e ²           (1)

和

                x_i ²+y_i ²+z_i ²＝R_s ²    (2)

这里i∈{0，1，...N}，N+1是SV的数量。由于地球和SV轨道路径实际上都是椭圆的，因此对于给定问题方程(1)和方程(2)都只是大致的限定条件。但是，方程(1)和方程(2)都是非常准确的近似。此外，应该注意方程(1)和方程(2)仅仅是近似值，它们涉及到无源地面定位方法的推导。这个的意义在于可以将该方法认为是对于无源地面定位问题的一种准确的解，是在圆形的地球和SV轨道近似的准确性之内。大气的条件也将会影响光的速度，但没有被考虑进去。

对于第一个测量的SV，不变的距离延迟的球形是

          (x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝R²       (3)

其中R表示距离延迟。没有从系统的反馈，如在无源地面定位的情况下那样，不可能没有一些未知的偏差(unknown bias)而测量R。仅有的可测量的量是距离延迟的差值，相对于某一初始的距离延迟测量，R，对于第i个SV将其表示为Δ_i。对于接下来的N次测量，方程是：

         (x-x_i)²+(y-y_i)²+(z-z_i)²＝(R+Δ_i)²    (4)

这里i∈{0，1，...N}。由于在SU位置中有三个未知量，因此有必要使N≥3。当代入(1)和(2)时展开方程(4)给出：

     x_ix+y_iy+z_iz＝1/2(R_e ²+R_s ²-R²-2RΔ_i-Δ_i ²)       (5)

从(3)中减去(5)并且再次合并(1)和(2)产生 $\left[\begin{array}{ccc}{x}_0-x_1& y_0-y_1& z_0-z_1\\ x_0-x_2& y_0-y_2& z_0-z_2\\ \…& \…& \…\\ x_0-x_N& y_0-y_N& z_0-z_N\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_1\\ {\mathrm{\Δ}}_2\\ \…\\ {\mathrm{\Δ}}_N\end{array}\right]+\frac{1}{2}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_1^2\\ {\mathrm{\Δ}}_2^2\\ \…\\ {\mathrm{\Δ}}_N^2\end{array}\right],....\left(6\right)$

这是变量(x，y，z)的线性方程组。

通过广为所知的伪逆(pseudo-inversion)很容易获得对于(6)的最小平方解。但是，因为R仍然是一个未知的量，仍没有完成解。通过承认方程(6)的解也必须满足方程(1)能够避免这个问题。为了理解怎样才能引入方程(1)，作出下面的定义。将差分的SV位置矩阵表示为 $D=\left[\begin{array}{ccc}{x}_0-x_1& y_0-y_1& z_0-z_1\\ x_0-x_2& y_0-y_2& z_0-z_2\\ \…& \…& \…\\ x_0-x_N& y_0-y_N& z_0{-}_N\end{array}\right],......\left(7\right)$

并且将投影的差分(projected differential)和平方投影的差分距离延迟向量分别表示为

          u＝(D^TD)^-1D^T[Δ₁Δ₂...Δ_N]^T              (8)

和

         ν＝1/2(D^TD)^-1D^T[Δ₁ ²Δ₂ ²...Δ_N ²]^T  (9)

记住(D^TD)^-1D^T是D的伪逆并且是用来解决线性最小二乘(LLS)问题的操作符。为了保证D^TD不是奇异的或接近奇异的，从尽可能多的不同的SV进行测量是理想的。如果必须从一个单独的SV进行非常多的测量，那么在相临的测量之间必须要有足够的时间分隔。这样做允许一个给定的SV有效的改变它的位置以减少任何两个差分的SV位置向量是线性相关的几率，特别是在当量化噪声破坏了差分SV位置矩阵D的时候。

以刚刚定义的向量的形式，SU的位置也可以被表示为

              P＝RU+ν                 (10)

当代入到方程(1)的向量形式的时候，会有

              R²u^Tu+2Ru^Tν+ν^Tν＝R_e ²  (11)

它使得方程(11)中的R能够被任何方式的二次公式所解出，这样做会带来 $R=\frac{{-\underset{-}{u}}^T\±\sqrt{{\left({\underset{-}{u}}^T\underset{-}{v}\right)}^2-{\underset{-}{u}}^T\underset{-}{u}({\underset{-}{v}}^T\underset{-}{v}-R_e^2)}}{{\underset{-}{u}}^T\underset{-}{u}}....\left(12\right)$

这样，与方程(12)相结合，方程(10)提供了想要的结果p，它是SU在地球上的位置。

一个立即出现的复杂问题是方程(12)通常会产生两个截然不同的解。但是，如果两个解中的一个落在了最小的可能的距离值的后面，那么可能将这个删掉并且选择另一个解作为R的正确估量。如果两个距离估量都在最小的可能的距离值之上，那么要要求附加的值，例如射束中心，目的是区分实际的和映像距离估量。前一种情况被称为唯一解的情况，其中后一种情况被称为是不确定解的情况。当对于R的估量是复共轭对的时候，就出现了一个更严重的情况，一种被称为复数解的情况。在这样一种情况仅有的合理的帮助是设定 $R=\frac{{\underset{-}{u}}^T\underset{-}{v}}{{\underset{-}{u}}^T\underset{-}{u}},.....\left(13\right)$

它是方程(12)的实数部分。无源地面定位方法的大多数方程都是唯一的解的情况是最理想的。

如它所证明的，伪逆是所提出的无源地面定位方法中最敏感的操作。这是由于如果D中的差分SV位置向量彼此之间没有表示出足够的无关，那么SV中心所现存的量化噪声将被放大。如果发生了这个，D^TD被称为是弱条件的，并且结果的SU位置估量也倾向于是弱的。因此有必要规范D^TD所限定的条件的程度。如果认定D^TD是弱条件的，那么应该停止该方法，并且应该采用一套新的测量来重建D。

一个矩阵的条件(condition of a matrix)是它的特征值的一个函数。如果一个矩阵具有接近零的特征值，那么该矩阵的逆对于它的分量的任何微扰都是高度敏感的。这样就能够计算D^TD的特征值以确定它的条件。但是，一个更简单的途径是计算D^TD的行列式，这是由于一个矩阵的行列式与它的特征值的乘积相等。D^TD的行列式的值越低，D^TD的条件就越弱。这样能够将det(D^TD)和一个预定的阈值相比较，以决定结果的SU位置估量是否足够正确。如果det(D^TD)落在了阈值的后面，那么应该扔掉当前的测量并且应该重新设置当前的无源地面定位方法。由于det(D^TD)会随它的特征值的大小的而可能进行变化，只是基于det(D^TD)的一个条件可能要求一个自适应的阈值。这个问题能够通过规范化det(D^TD)来解决，这样条件测量主要就是D^TD的特征值的一个相对分布函数。尽管存在着大量的规范D^TD的方案，但是一种特别有效的条件测量是 $C\left(D\right)=\frac{\det \left(D^{T}D\right)}{{\left(\max \left(d_{\mathrm{ii}}\right)\right)}^3},.......\left(14\right)$

这里i∈{1，2，3}，d_ii是D^TD的第i个对角元素。方程(14)中的条件测量是一个无单位的量。

从上面的推断，现在可以进一步描述无源地面定位方法的步骤。在步骤504，如上面所注意的，对N+1次SV测量进行累加，其中对于i∈{0，1，...，N}，SV测量包括一个SV中心坐标网格代码，(x_j，y_j，z_j)和帧的到达时间，TOA_i。由下面给出差分的距离延迟

            Δ_i＝c(TOA_i-TOA₀)，          (15)

其中c是光速。最好是，从不同的SV进行所有的SV测量。但是，由于N+1个不同的SV不可能总是可见的，可以对一个单独的SV进行两次或多次测量，还要这两次测量之间的时间间隔超过一个最小的时间阈值T_m。T_m可以例如为60秒。

作为一种减少与无源地面定位计算相关的复杂性的方法，在优选的实施方式中，SU并不每一帧都扫描寻找的新的SV测量选择。代替的是，以固定的计划进行重复扫描，例如60.48秒的重复扫描周期。并且可能将旧的扫描数据扔掉，并且在重复扫描处理期间，用新的数据来代替旧的扫描数据。在SV测量处理上强加这个重复扫描结构，无源地面定位的性能将被稍稍降低。但是，这个降低是很小的，在步骤505，图5的方法确定是否必须执行重复扫描。如果是这样，执行继续到步骤504。否则，执行继续到步骤506。

一旦已经获得了N+1次测量，能够在步骤506在方程(7)中构造出D。在这点，应该从方程(14)计算出C(D)，并且在步骤508将其与一个阈值C_M做比较，C_M表示一个最小允许的可靠度，C_M的确定主要以经验为主。如果C(D)＜C_M，那么必须扔掉当前的SV测量集合，并且必须要求一个SV测量的新的集合，控制返回到步骤504。如果D有一个足够的可靠度，那么就能够构造出方程(8)和(9)中的u和ν，并且在方程(12)中使用它们解出R。如果(u^Tν)²-u^Tu(ν^Tν-R_e ²)＜0，那么应该通过方程(13)来解出R。

在步骤510，进行一次映射拒绝检测(image rejection check)。在优选的实施方式中，第一次测试是用来确定最小距离延迟R的有效性。由于对于R存在两种解，从下面的一系列测试中推断出最可能与实际相对应的解。首先，将R的两个估量都与一个阈值R_M相比较，R_M等于对于距离延迟的最小的可能值。例如R_M的一个值可能是764.876km。应该将小于R_M的R的解扔掉，留下另外一个R的估量作为实际的距离延迟。由于最小距离延迟会经SV到达它的标称轨道的准确性而有不同，所以应该引入一些缓冲或是允许误差。例如R_M＝750.5km可能是一个好的选择，后面将使用这个值。使用一个最大的延迟阈值也是切实可行的。如果R的两个解都大于或是等于R_M，那么在第二次测试中，将与具有最高功率射束的射束中心最接近的R的解作为实际的距离延迟估量。

在步骤512，将地面定位估量作为地球上用户单元的位置进行报告。在某一应用中，由无源地面定位装置400(图4)向用户单元的控制处理进行报告。但在Iridium系统中进行工作的时候，用户单元必须确定什么时候向系统进行再登记。这个确定部分上是基于用户单元离最后一次登记位置的距离。如果SU确定无源地面定位装置400所报告的它当前的位置，与最后登记位置的距离大于距离阈值，那么SU初始化一次登记处理并且向系统进行登记。在其它的应用中，由无源地面定位装置400所确定的位置报告也可能是由SU直接报告给系统的。

由于无源地面定位方法没有一个固定的执行时间，因此可能出现的一种情况是在一个五或是十分钟的时期内不能收集到SV测量的可靠的集合。如果出现了这样一种情况，用户单元应该再次向系统进行登记。

如上面所描述的，必须选择最小置信度阈值，C_M，这样当估计的SU位置错误不能忍受的时候，只需要复位无源地面定位方法。为了提高估量准确性，应该将C_M选择的尽可能的高。但是，无源地面定位方法的执行时间和计算的复杂性也会随着C_M的减少而减少。为了解决这个问题，可以通过在不同的纬度和对于不同N的值模拟该方法来经验选择C_M。一组解生成一个示例性的值C_M＝1×10^-5。也可能使用其它的适当的值。

如已经讨论的，必须在一个单独的SV的测量之间强加一个最小的时间间隔，目的是确保差分的SV位置矩阵D是很好地达到要求的。由于在任何两个SV之间的分离都是十分明显的，因此无须在不同的SV的测量之间的时间上强加限定。事实上，当尽可能快的完成来自不同的SV的测量的时候，性能也得到了提高。这是因为随着第一个(基准)和最后一个的SV测量之间的时间的扩展，SU时钟的时钟偏差(1ppm)的影响也将变的更加明显。出于这个原因，最好将一个单独的SV的测量之间的最小时间间隔固定到T_M＝60秒。一个大于120秒的测量间隔就会使时钟偏差明显的支配所有其它的误差项。更短的测量间隔减少了无源地面定位方法的执行间隔。

在模拟的基础上，依据本发明的无源地面定位方法具有几个可以看得见的特性。增加所采用的测量的最小数量和就此建立一个超定的方程组(即一个方程组所具有方程的数量多于变量的数量)减少了方法对量化和测量噪声的敏感性并且能够提高性能结果。大多数从使用一个过采样系统所获得的增益都好象是以N＝4获得的。应该注意尽管对于N＝4，C_M＝1×10^-5是一个很好的选择但是对于N＞4，它可能还是太低了。总之，SU位置估量的准确性和C(D)的平均值都随着N的增长而得到了提高。

从前面可以看到，本发明提供的由一个用户单元进行无源地面定位的方法和装置是一个无线通信系统。本发明也非常适合于在近地轨道(LEO)卫星的系统中使用，例如Iridium系统，因为对这样一个系统它使用了适当的近似和简化。由于在一个LEO系统中，例如GPS系统，更少的卫星是可见的，因此本发明提供可从相同的空间飞行器或是卫星进行多次测量。本发明比起GPS系统解一个更简单更缺乏准确性的方程组，主要的复杂性的简化是从对地球的圆形近似和对于用户单元的高度不变的假定。通过进行大于最小数量次数的测量和解一个过定的方程组，本发明在一个无线通信系统中容纳了更多的计时不准。最后，本发明提供一个置信度处理，它保证了对于所解的方程组线性独立这一假定的置信度的最小等级。在GPS系统中这样一个置信度处理是不必要的，因为在GPS中所有的测量都是从唯一的卫星进行的并且方程都是必须无关的。此外，GPS卫星具有更高的精确度的时钟并且能够进行更准确的到达时间的测量。

虽然表示和描述了本发明的一种特定的实施方式，但是还可以进行修改。在所附权利要求中覆盖在本发明的精神和范围之内的所有变化和修改。

Claims (10)

1.一种在包括多个环绕地球的卫星的无线通信系统中操作一个用户单元的方法，该方法包括步骤：

在用户单元，从一个或多个卫星收集位置数据；

使用位置数据，形成用户单元在地球上位置的一个或多个估量；和

当一个估量的置信度测量超过了一个阈值的时候，将该估量作为用户单元在地球上的位置进行报告。

2.权利要求1的方法还包括步骤：

确定与位置数据的相应的置信度测量；和

将置信度测量与一个预定的置信度阈值相比较。

3.权利要求1的方法，其中置信度测量是位置数据的线性相关测量。

4.权利要求1的方法，其中置信度测量是表示来自一个或多个卫星的差分位置数据的一个矩阵的条件。

5.权利要求1的方法，其中收集位置数据的步骤包括收集多个数据集，至少是从相同的卫星起源的两个数据集。

6.权利要求5的方法还包括步骤，对于用户单元，当最小数量的卫星是不可见的时候，在收集第一个数据集合之后，收集第二个数据集合之前，等待一个最小时间阈值。

7.权利要求1的方法还包括步骤，从用户单元的位置的一个或多个估量确定最有可能与用户单元的实际位置相对应的一个位置。

8.权利要求7的方法，还包括步骤：

确定一个距离延迟的最少两个估量；

将至少两个距离延迟的估量与一个预定的阈值相比较；

将与大于预定的阈值的距离延迟的一个估量相对应的一个位置作为最后可能与用户单元的实际位置相对应的位置。

9.一个工作在包括多个环绕地球的卫星的无线通信系统中的用户单元，该用户单元包括：

单个接收器，用于从一个或多个卫星接收信号；

一个与接收器相连接的控制器，该控制器包括测量处理装置用于响应接收器接收的信号，从多个卫星中的两个或是多个卫星中收集数据，

分析处理装置，它分析位置数据并且确定用户单元在地面上所可能的一个或多个位置，和

置信度处理装置，它响应于位置数据，确定什么时候位置数据满足一个置信度标准以确保用户单元的一个或多个可能的位置足够准确。

10.权利要求9的用户单元，还包括一个发送器用于向多个卫星中的一个卫星发送用户单元的确定的位置，其中确定的位置是用户单元在地面上可能的位置中的某一个。

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