快速位置获取通知系统 【发明背景】
本发明一般涉及跟踪地球表面附近设备位置的方法和系统，具体地说，本发明涉及利用非常快速的便携式获取应答器跟踪地球表面附近设备的方法和系统。
有各种可以用来确定地球表面上设备位置的技术。美国专利No.3,063,048公开了利用发射信号中的多普勒频移来确定发射该信号的设备的位置。此专利讲述了通过测量所述多普勒频移以最大速率变化的时间来确定发射经历多普勒频移的信号的物体的位置。在这个系统中，卫星必须连续接收从物体发射的信号才能确定所述频率以最大速率变化的时间最大以便确定所述物体的位置。其结果是，计算位置坐标的时间太长，不能适应诸如确定卫星电话位置的应用。
全球定位系统(GPS)也具备地域定位的能力。并且，最好知道移动终端、比如蜂窝式电话的位置，并将这种位置信息保存在中央位置(如服务操作中心、即SOC)。
一种技术是在移动终端上设置GPS接收器，计算GPS接收器的位置，并通过卫星(或其他通讯系统)将所述位置坐标发射到中央位置。此方法存在着GPS接收器中所固有的从冷启动唤醒时首次定位时间(TTFF)的局限。GPS接收器必须从所述冷启动状态下载GPS卫星地天文年历，星历表以及时钟校正信息。TTFF限制有效地排除了在不可接受的长TTFF的情况下、比如在处理来自无线电话或蜂窝式电话的电话呼叫的情况下使用GPS接收器。
因此，本发明针对上述问题，开发用于以最小功率和最少设备快速实现移动终端位置计算的系统和方法。发明概述
本发明通过以下方法解决上述问题：在所述移动终端收集观测数据；将所述观测数据发射到中央位置；以及在中央位置，而不是在各个移动终端执行位置计算。
这样，本发明的移动终端只需要采集几毫秒的观测数据，比如GPS代码相位信息，然后通过卫星将这种观测数据转发给中央站，用于后续的位置计算。这样，本发明只要求移动单元接通非常短的时间周期，因此可以获得极快的(比如包括数据传输时间共1秒)定位方案。这可以使比如在呼叫之前话机的地域定位实际可行，这尤其是在基于卫星的电话服务中控制接入和呼叫选择路由的决定中非常有用。这种快速方案和最小的电池消耗使得地域定位系统能够应用到实际中，否则不能从经济上证明这种应用的正确性。
根据本发明的一个方面，确定位于地面上或其附近的物体的位置的系统包括通讯卫星，卫星网关或地面站，远程终端和操作中心。在这个系统中，通讯卫星发射由远程终端应答的询问信号。包括接收器，发射器和处理器的远程终端配置在所述物体上。接收器从通讯卫星接收询问信号，还能接收从GPS卫星发射的信号。一旦接收到来自通讯卫星询问信号，处理器测量从GPS卫星发射的每一个信号的至少一种特性。远程终端在与接收到所述询问信号有关的预定时间向通讯卫星发射应答信号。应答信号包括从多个GPS卫星发射的每个信号的测量到的特性。操作中心从通讯卫星接收应答信号，并利用信息到达时间和由远程终端返回的测量到的特性计算远程终端的位置。
在上述系统中，所述测量到的特性可以包括，比如代码相位信息，载波相位信息，多普勒频移信息，比特相位信息或者傅立叶变换系数。
服务操作中心包括了计算通讯卫星和远程终端之间距离的处理器。在这种计算中，处理器利用应答信号到达卫星网关的时间以及向远程终端发射询问信号和卫星网关接收到该询问信号之间的时间差。在这种计算中，处理器计及通信卫星和移动终端之间信号路径上的已知延迟以及在卫星网关测量信息到达时间的点。处理器还计算其半径为先前确定所述距离的球面与地球表面模型之间的相交曲线。此外，处理器在相交曲线上确定几个初始点，这些点中的一个必须位于围绕所述终端的已知的汇聚带内。接下来，处理器计算各个初始点的候选位置解，并利用预定判据筛选这些候选解并舍弃所有不满足筛选条件的候选值。最后，如果仍然有超过一个的候选解存在，则处理器选择一个代表最适合所有观测数据的解。
在上述系统中，所述预定的判据可以包括从以下各项中选择的一项或一项以上：到通讯卫星的距离解，剩余解，高度解，时钟偏置解以及与波束边界的接近度解。附图说明
图1描述了根据本发明的系统的示范实施例的方框图。
图2描述了根据本发明的方法的示范实施例的方框图。
图3(a)和3(b)描述了根据本发明用于确定终端单元的位置的图2所示方法的地理表示法。
图4描述了返回到服务操作中心，用于计算位置解的各种参数，以及SOC中处理器执行的各种计算的流程图。详细描述
参考图1，系统[10]的一个示范实施例包括与卫星网关(SG)[12]相连的服务操作中心(SOC)[11]，通讯卫星[13]，全球定位系统(GPS)[14-17]中的卫星，终端单元[18]以及参考网络(RN)[19]。终端单元[18]接收来自多个GPS卫星[14-17]和通讯卫星[13]的信号。
终端单元[18]在其前向通信卫星链路接收包括定时和获取辅助信息的广播信息。在接收到所述信息之后，终端单元执行其观测数据收集功能，并以从所述接收到的广播信息开始的固定的延迟将观测数据以及任何必要的系统和/或状态信息发射回SOC[11]。在SOC[11]中完成对观测数据的所有处理。终端单元[18]只是取得测量结果并将观测数据作为广播/应答循环的一部分返回。
服务操作中心
SOC[11]控制本发明的系统[10]的操作。SOC[11]通过前向链路播送包括定时和获取辅助信息的信号，后者可以被远程终端接收并且用来对它们预期的GPS信号进行时间同步并快速获取所述预期的GPS信号，由此，它们获得其观测数据组。前向广播还可以包含用于单个终端和/或终端组的命令和控制协议。
来自终端[18]的返回信号包括观测数据和操作所述系统所需的任何系统、状态或协议信息。借助特定和已知的延迟使返回信号与前向信号同步，这使卫星网关[12]可以取得往返程信号传播时间和绝对到达时间(TOA)的另外的测量结果。
所述计算的传播时间和某些观测数据一起用来确定位置。SOC还从参考网络[19]和其他资源上连续地收集位置计算所需的所有辅助信息。举个例子，这种信息包括：
1.感兴趣的范围内看得见的所有卫星的GPS广播星历表和时钟校正系数；
2.当前的GPS天文年历；
3.当前的电离层和对流层参数；
4.当前的状态信息和报告；
5.当前的通讯卫星状态矢量和运行状态；以及
6.差分校正数据(如果使用)。
卫星网关
卫星网关[12]由卫星通信调制解调器(信道单元)和相关的控制和管理设备及软件组成。网关保持用于控制前向链路广播和用于传播时间测量结果的准确的时间和频率基准。终端仅仅需要相对于前向信号准确地作出应答，因此可以使用大大减少的精度和低功率的内部基准。卫星网关[12]是传统的卫星通信设备。因此它也包括天线、发射器、放大器、上/下变频器以及其他标准卫星通讯设备和软件，它们没有在图中表示出来，但本领域的技术人员都了解。
通讯卫星
通信卫星可以是能够向终端和卫星网关转发前向信号并且转发来自终端和卫星网关的返回信号的任何(近地轨道(LEO)，中地轨道(MEO)，地球同步轨道(GEO))卫星。它也可以是气球、飞机、遥控有人驾驶的飞行器或其他任何在大气层内操作的航空器(如果能够知道并消除传输路径中的所有延迟，也可以使用非弯管式卫星(Non-Bentpipe satellites))。卫星(或航空器)的位置和速度信息，以及转发器组延迟和其他运行参数必须已知。
适当的通信卫星的例子包括：
1.轨道通信卫星
2.全球星(Globalstar)
3.中圆轨道系统(ICO)
4.欧洲共同体航空公司协会卫星(AceS)
5.休斯移动卫星(Hughes MSAT)
6.Thuraya
7.“铱”卫星(Iridium)
8.本领域技术人员所知道的其他通讯卫星有可能应用于本发明。
终端单元
本发明只要求移动终端[18]接收信号，进行观测(测量GPS信号的某些方面)，并返回包括观测数据的另一个信号，这些都可以在一个非常短的时间间隔内完成。有各种类型的能够被转发到中心站、使中心站能够确定移动终端位置的观测数据。
一种可能性是采集GPS信号内部的代码相位和/或载波相位信息。这样做可以使远程单元只接通非常短的时间，从而帮助将首次定位时间最小化。其他可以由终端测量的信号特性有多普勒频移信息、比特相位信息或傅立叶变换系数。
另一种可能性是将短时间间隔的GPS信号数字化并将该数字数据发射到中心站。中心站能够重建所述接收信号并根据所述接收信号中的某些特性，比如多普勒频移、所述接收信号到达的代码相位、比特相位信息等确定位置。
本发明的方法的示范实施例
以下提供本发明的示范实施例，其中到达代码相位(COA)信息被用于确定移动终端的位置。如上所述，也有可能利用其他测量结果。
参考图2，在时间t0，卫星网关(SG)[12]通过通讯卫星[13]向由图3所示卫星波束图界定的地球区域发射带标记事件(marker event)的前向信号。标记事件的例子有分组报头中的同步数据模式。
根据所使用的通讯卫星，可以用不同波束覆盖多个地区。因此，可以或者顺序地或者同时向这些区域发射信号。
卫星[13]在时间t1接收信号，并在时间t2将信号转播回地球。接着，远程终端[18]在时间t3接收带所述标记事件的信号。
当远程终端[18]需要报告它的位置时，它在卫星下行链路中搜索SG信号。该信号包含了帮助获取的信息(如覆盖地区中以优先顺序排列的GPS人造卫星，多普勒偏移量信息，定时基准等)。清单中的人造卫星飞行器以优先顺序排列，以便使移动终端[18]可以搜索并选择那些提供合适观测装置的GPS卫星(即，将精度衰减最小化，排除退化了的或不工作的卫星等)。SG[12]还使出境传输(outboundtransmission)与GPS定时基准同步。
利用从前向信息恢复的获取信息，移动终端[18]在从t3开始经过固定并已知的时间间隔后的时间tobs时接收大量的GPS信号。接收器的操作与从SG[12]接收到的信号同步。随后，SG[12]接收到的信号又与GPS时间(比如X1过近地点时刻)同步。因此，与用于恢复信号的GPS扩展代码相关的接收器时钟偏移量可以在地面站以合理的精度(小于+/-0.5毫秒)被估算出来。
终端[18]在时间tobs测量各个GPS信号的到达代码相位(COA)。终端[18]接着通过在时间t4利用通讯卫星发射返回信号将该测量值转发到SG[12]，时间t4与入境(inbound)定时基准t3也有固定并已知的关系。
通讯卫星[13]在时间t5从移动终端接收返回信号并在时间t6将相同的信号转发给SG[12](或其他地面站)。SG在时间t7接收到返回信号并将其与前向链路计时基准相比较并进行往返传播时间测量。同时测量的还有绝对到达时间(TOA)。SG恢复返回的传输内容并将数据以及它的传播时间和TOA测量值发射到SOC[11]。
在服务操作中心执行的定位计算的示范实施例
SOC[11]通过从传播时间测量值中去掉所有已知的延迟来计算通讯卫星[13]和终端[18]之间的距离矢量的大小。它是利用通讯卫星位置、速度和应答器组延迟信息，卫星网关天线位置，已知地面电缆/设备路径中的信号延迟，以及如果需要，任何可以模拟的大气层或其他传输路径延迟完成的。图2描述了这些延迟以及时间之间的关系。距离计算在卫星通讯领域相当标准并通用，本领域的技术人员都应当了解。
在确定了通讯卫星[13]和终端[18]之间的距离之后，SOC[11]确定可能的位置弧度。它是通过计算以通讯卫星为中心，半径为卫星[13]到终端[18]的计算距离的球面与地球表面模型之间的相交曲线31(见图3)确定的。
可以用数学近似、比如椭球或者大地水准面模型、或具有地面海拔高度数据的模型来模拟地球。利用椭球模型的计算中的一个可能范例如下：
可以把地球模拟为旋转椭球。椭球的参数取决于参考系的选择。这个表面可以表示为：x2a2+y2a2+z2b2=1]]>其中a和b为表示所选椭球坐标轴的常量。椭球面的一个可能的参数表示法为：
x＝a sin(φ)cos(λ)
y＝a sin(φ)sin(λ)
z＝b cos(φ)φ＝0到？，其中0为正z轴。λ＝0到2？，其中0为正x轴。半径为ρ(斜距)的球体上点(Xs，Ys，Zs)的方程为：(X-Xs)2+(Y-Ys)2+(Z-Zs)2＝ρ2将椭球面方程带入球面方程并简化后得到：(asin(φ)cos(λ)-Xs)2+(asin(φ)sin(λ)-Ys)2+(bcos(φ)-Zs)2＝ρ2(b2-a2)cos(φ)2-2asin(φ)cos(λ)Xs-2asin(φ)sin(λ)Ys-2bcos(φ)ZS＝ρ2-a2-r2
按选择φ求λ的方案构成系数：
A＝-2a sin(φ)Xs
B＝-2a sin(φ)Ys
C＝(b2-a2)cos(φ)2-2bcos(φ)Zs+r2+a2-ρ2
Acos(λ)+Bsin(λ)+C＝0
将φ取值为感兴趣的范围，计算系数，求λ的值得到：λ=-2tan-1[(B±B2+A2-C2)(A-C)]]]>
参数化交叉曲线上的点距取决于图3(b)所示的所选点φ和所选地球模型。选择参数化方法只是为了保证至少一个初始点会落在围绕真解的汇聚带内的需要。在这里所用的汇聚带指的是移动终端位置周围至少有一个点在其中的区域，以保证位置计算将集中到那个区域。汇聚带的大小随着所用观测数据的数量、质量和类型而变化。但是作为例子，代码相位观测的汇聚带半径大约为75-80Km(见图3(b))。
也可以使用大地水准面模型或数字地形信息，通过仅仅保留那些到通讯卫星的距离在一定容差范围之内的点来建立一个相似点的弧。
可以根据需要对这些点进行次采样或插入，因为这些只表示输入到最小平方算法的初步近似值。它只要求至少有一个弧上的点落在围绕真解的确保汇聚带内。
SOC只保留卫星波束图界定的地球区域内的那部分弧。可参考图3(a)描述的波束图对弧的界限。
SOC接下来确定移动终端采集GPS信号的时间(tobs)。采集时间由卫星和终端以及SG之间的距离，传输信道中已知的延迟(如应答器组延迟、大气层等)，终端采集方法(如从t3开始固定的延迟和综合周期)，以及绝对TOA的测量值决定。
然后，SOC使用卫星轨道模型估算GPS卫星在它们的传输时间(txmt)时的位置。GPS txmt是用tobs减去GPS信号发射时间算出的(用户如果在地球固定坐标下工作还需要作信号发射时间期间地球旋转的校正)。
利用弧上各个点作初始推测，采用最小平方迭代技术使观测数据符合预测数据并使剩余错误最小。这种计算的例子如下：
建立最小二乘解的线性化正规方程组。-Xk-X0(Pik)0xi-Yk-Y0(Pik)0yi-Zk-Z0(Pik)0zi+cΔti=(Pik)obs-(Pik)0-ϵik]]>
(Pik)obs-(Pik)0＝biAx^=b-ϵ]]>
我们假设根据广播星历表(如果需要还有大气层延迟)对代码观测Pobs进行卫星的时钟偏移校正。初值P0的计算利用了卫星的初始坐标和之前生成的圆弧点。接收器时钟偏移量可以从广播信号定时和到终端的斜距进行首次推测。或者，如果接收器时钟无法估算到0.5毫秒之内，可以进行附加观测以保证唯一的解。xiyizicΔti=(ATCA)-1ATCb]]>r^=b-Ax^]]>
标准等式右边的b表示期望和观测代码相位(模1毫秒)的差并且是模糊的。接收器时钟偏移量也可以处理为模1毫秒值。通过选择初始坐标假定整数的模糊性。作为两个模1毫秒值的差，矩阵b被保持在+/-0.5毫秒范围内。这样就迫使解收敛于初始坐标的～150公里内。矩阵C是从信号强度和/或GPS卫星URE(用户距离误差)值导出的权矩阵(倒置的协方差矩阵)，它被用于加权的最小平方解，或设置为非加权解的单位矩阵。矩阵r是剩余矩阵，可以被加权和/或相加，或用较少的处理将之分析为协方差矩阵。
收敛后，这个估算的位置解接着被按照到通讯卫星的测量距离(在已知的容差范围内)、卫星波边界、容许的高度范围(相对于使用的椭球体，大地水准面或高度模型)、可接受的接收器时钟偏移量范围以及最大剩余极限进行筛选。那些经过估算不符合这些标准的位置就被舍弃了。各种方法的范例如下：
距离：所述各初步估算值在离开通讯卫星恒定距离的弧上。如果候选解在这个距离的已知的容差之外，则舍弃该估算。
高度：所述各初步估算值在所选地球模型的表面上。如果候选解超过/低于与该地球模型可能相关的最大/最小高度，则舍弃。
波束：所述各初步估算值在波束覆盖区之内。如果候选解在波束边界之外，则舍弃。
时钟偏置容差：所述计算的接收器时钟偏置必须落在从传播时间测量值估算时钟偏置(在已知容差的情况下)范围之内。如果候选解在该范围之外，则舍弃。因此，随着传播时间测量值准确性的提高，它也就成为一个更有价值的鉴别指标。
残差：已经发现，对于真位置估算值(对于朝定问题)，收敛解的残差(拟合优度)为最小。残差在使用上述最小平方方法时在模糊位置解之间提供了一个有效的鉴别指标。因此，可以用经验确定或计算得到的极限值(独立使用或与其它筛选标准一起)筛选错误候选。
剩下的位置估算值可以利用对代码相位观测值的大气层(电离层或对流层)校正来改进，以进一步提高这个过程的定位精确度(如果需要)，然后可以使用最后筛选和残差比较(如最小RMS)并选出最佳点。其他筛选标准可以根据地球空间数据组和特定应用标准(比如跨陆地，和靠近火车轨道等)来采用。
应指出，如果感兴趣的区域足够小(也就是在确保汇聚带内)，比如非常窄的卫星波束，飞行器平台覆盖的地区或城市，或蜂窝塔覆盖区，那么就不需要附加范围测量和筛选过程，唯一的解可以从感兴趣地区中心的初步概算产生。
由于这里也使用标准GPS解中所有相同的错误源，因此可以在最后的位置校正中使用差分校正技术(DGPS)以进一步提高它的准确性。这种差分校正技术的例子可以在由本发明的同一个发明人提交的美国专利申请No.08/__，__中找到。
图4以流程图的形式描述了SOC中的处理器执行的上述计算，它适合以软件实现，在通用计算机上执行。SOC接收到来自终端[18]包含了观测数据的信息和来自SG[12]的测量和辅助数据后，SOC处理器获得通讯卫星[13]最后的状态矢量以及GPS卫星[14-17]的星历表、时钟和大气层数据。图4中所用到的缩写“SV”表示宇宙飞船。
SOC[11]接下来执行流程图中所示的一系列计算并得到几个候选位置解。候选解按照前面所描述的各条标准被筛选并执行另外包括大气校正数据的迭代，如果剩下的解多于一个，则进行最后的审查和选择。最后得到的位置可以被转换到所需的坐标系统。
以上描述的是本发明某些方面的示范实施例。对本领域的技术人员来说很明显，其他变化都是可能的。