专利名称：用于引入双向测距导航作为gps用校准基准的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明与共同待审的序列号为No.08/803,936、题目为“Methodand System for Determining a Position of a Target Vebicle UtilizingTwo-Way Ranging”的申请相关，该申请的申请日为1997年2月21日，同时本发明还与共同待审的序列号为No.08/803,937、题目为“Method and System for Determining a Position of a TransceiverUnit Utilizing Two-Way Ranging in a Polystatic SatelliteConfiguration”的申请相关，该申请的申请日为1997年2月21日。[本发明还与共同待审的序列号为No.＿(PD97-0154还未申请)、题目为“Method and System for Determining a Position of aCommunication Satellite Utilizing Two-Way Ranging”的申请相关，该申请的申请日为＿。]在这里，对序列号为No.08/803,936以及08/803,937[还有＿(PD97-0154还未申请)的待审申请中的每一个在此引用用作参考。[建议在提交本申请之前申请PD97-0154，但如果不可能，请在提交本申请之前，删去划线语句]。
本发明涉及用于判定目标载体的位置的方法和系统。本发明尤其涉及使用双向测距导航系统对全球定位系统进行校准的方法和系统。
时下，以全球定位系统(GPS)的形式出现的自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance)(ADS)提供了应用卫星通信的信息。由美国国防部开发的GPS包括二十四(24)颗卫星，这些卫星在位于12,000英里的高度每天绕地球轨道转两次。另外，GPS还包括五(5)个监控和处理这些卫星的地面站。利用原子时钟和位置数据，GPS卫星可以一天二十四(24)小时向GPS接收机发送连续的时间和位置信息，这里的GPS接收机同时输入来自三个或更多个卫星的数据，以确定用户在地球上的位置。通过测量对一个卫星信号的发射和接收之间的时间间隔，GPS接收机可以算出用户和每颗卫星之间的距离。之后，GPS接收机利用由至少是三颗卫星而测量出的这一距离，来得到用户的最终位置或场所。
民用GPS测量所产生的精度大约为100米。通过使用包括地面基准点的差转GPS，可获得象飞行器这样的目标所需级别的附加精度。但是，配置地面基准站是非常贵的，且其效力被限制到距离地球表面上的基准位置一定半径内的一个有限范围内。
民用GPS系统使用了单向测距，其中每一个站都需要精确的同步时钟。任何同步误差、或任何与多颗卫星中的一颗的位置相关的误差都会引起在判定目标位置时出现误差。对于飞行器或其它目标，必须要有精确的位置和速度信息，且在其整个的飞行或执行任务期间，都需要有专用的、精确的设备，以便提供具有高度完整性和可靠性的准确的位置及速度信息。
为克服这一问题，在与本发明共同待审的序列号为No.08/803,936的美国专利申请中，提出了一种双向测距导航，此处引入的这个申请仅用于参考。在那篇申请中所公开的双向测距导航系统，使用双向测距技术，借助于多颗卫星，从而求出诸如象飞行器或水面航行艇这样的运载工具的状态矢量的独立估计，由此确定出运载工具的位置，其中上述矢量包括位置和速度。
双向测距导航系统包括通过若干卫星，从一个交通控制站通过多个卫星向一个运载工具发射第一信号。运载工具从那个信号中得到了一个唯一的测距代码并跟踪它，且自该运载工具发射出包含该唯一的测距代码的信息信号。经由多颗卫星的链路被顺序或被同时处理，以提供具有状态矢量的适度的准确估计的双向测距。双向测距导航系统执行测距测量，从而求出运载工具的状态矢量的估计，以响应交通控制器最好是采用α-β/EKF(扩展的卡尔曼系数)跟踪的地面交通控制器处的第一信号以及信息信号。
由于具有比GPS系统更高的准确度，所以对于目标，双向测距导航可被当作一个独一无二的定位系统。在常规的通信链中，具有双向测距导航的定位法只消耗非常小的空间段资源。但是，当在用户和卫星之间没有通信时，此时也被称作“寂静时间”，双向测距导航定位需要额外的空间段带宽资源。另一方面，由于GPS是一种单向广播定位系统，所以一旦使用它就不需要额外的空间段资源。
因此，存在一种需要，即在获得最高级的定位精度的同时，没有双向测距导航定位那样的消耗，同时无论何时都可使用空闲的民用GPS信号。
本发明提供了一种方法和系统，用于利用双向测距导航，通过测量从源到目标的经由卫星的往返通信所引起的时延，来准确地判定在从源到目标的方向上的距离。这种双向测距导航测量被用作校准基准，因此改善了GPS的定位精度，而没有花费实现差转GPS的费用，也没有与差转GPS相关的物理限制。
用于使用双向测距导航校准GPS的系统包括用来确定目标的位置测量的GPS以及一个双向测距导航系统。修正系数取决于由双向测距定位系统以及GPS得到的测量值，并且目标的GPS位置受该修正系数的调整。
用于使用双向测距导航对GPS进行校准的方法包括在第一预定时间，对象飞行器这样的目标进行双向测距导航测量。对目标的第一GPS测量也是在第一预定时间进行的。修正系数是被当作双向测距测量以及GPS测量的一个函数而确定的。通过在第二预定时间执行第二GPS测量并用修正系数修正该测量来修正GPS位置，从而得到一个经过修正的GPS位置。
这种方法用于飞行器时极有优势，因为可将更高的定位精确度扩大到整个飞行阶段，而不用频繁地执行双向测距导航测量。当需要时，无论何时何地，都可通过执行更多的双向测距导航测量，而得到更高的精确度。在应用于飞行器时，由于在中途以及着陆时具有更高的定位精度能有助于减小飞行器之间的安全缓冲地带的尺寸，因此提高了吞吐容量和空中运输的效率。
本发明的一个目的是改善GPS的精确度，而不用增加不必要的费用和复杂性。本发明的另一个目的是将双向测距导航用作GPS用的校准基准。本发明还有一个目的是向预定区域内的所有用户传播校准信息。
本发明的另一个目的是在该校准方法内保留灵活性，以便允许依据不同的导航请求，有不同的精确级别。本发明还有另一个目的是在GPS出现故障的情况下，能为GPS提供备用的导航系统。
通过参照附图和附加权利要求书而对本发明最佳实施例的以下详细的说明，可以显见本发明的上述目的以及其它目的、特点以及优势。
图1显示了采用双向测距导航作为两颗地球中轨道(MEO)卫星以及一颗地球同步轨道(GEO)卫星的星群的已知的通信系统；图2显示了与双向测距导航配置协作的GPS；图3显示了具有双向测距导航校准基准的GPS；图4是本发明校准法的一个实施例的框图；图5是本发明校准法的一个实施例的框图，其中修正系数是被传播给用户的；以及图6是作为对GPS的备用导航系统的双向测距导航的示意图。
参见图1，其中显示了经由在本发明的系统和方法中所用的双向卫星通信链路，由一个或多个地面站而执行对象人、运输工具以及飞行器这样的目标的定位及跟踪的一个已知测距导航系统的实现方案。以下将论述双向测距导航的概况。为详细论述双向测距导航的操作，在这里引入序列号为No.08/803,936的美国专利申请以供参考。
双向测距导航通过三角测量、三边测量以及多普勒技术来跟踪目标，这些方法都涉及在地球低轨道(LEO)、地球中轨道(MEO)以及地球同步轨道(GEO)内多个轨道平面中的多颗卫星。图1显示了使用若干卫星尤其是两颗MEO卫星12以及一颗GEO卫星14的双向测距导航系统10。应该注意，可以使用对若干LEO、MEO与GEO的任意组合来达到与图1所说明的那些系统相似的效果。
工作时，诸如象卫星访问结点(SAN)这样的一个地面站16通过MEO或GEO卫星12中的任意一个向目标18发射一个测距信号，其中上述地面站最好具有交通控制监控、处理以及发信号的能力。目标18获取到来自一颗卫星的唯一的测距代码，并跟踪它，之后将其同数据信息一起发送回向目标18发送代码的卫星上，之后这些数据又下到地面站16。
有许多链路可以使用，例如多半时间可通过若干不同的卫星，但总是至少有两颗卫星在目标18的视野范围内。在不脱离本发明的范围和主旨的情况下，可以让视野范围内的一组卫星同时经过两颗卫星，或顺序经过单颗卫星。
可选择使测距信号的发射和返回路径经过不同的卫星，这样生成了如共同待审的序列号为No.08/803,937的美国专利申请中所描述的那种多静态三边测量法，引入该申请以供参考。多静态配置是由处于分开位置的、彼此合作的几个无线电收发机构成的。这些无线电收发机可以是静止的也可以是运动的。通过使用其发射的和接收的测距信号是经由不同卫星传播的多静态技术，使测量的相同的距离位置被限定为一个椭圆面。其两个焦点位于两颗卫星的位置上，这样，目标18和卫星12以及14之间的距离总和是一个常数。使用双向测距导航测量来导出α-β扩展卡尔曼滤波器(EKF)，以便估测目标18在地面站16处的状态矢量。多静态配置提供了一种更精确的以及更灵活的通信系统。
现在请参见图2和3，其中显示了与上述双向测距导航系统10协作的一个GPS系统20。在图2中，同卫星12和14一起，还显示了位于该系统内的辅助卫星15。本发明将双向测距导航系统10的高精度测量用作校准基准，以消除GPS测量内的误差。
尤其是，本发明的方法需要在第一预定时间期间即t＝0处获取一个双向测距导航测量，即来自双向测距导航系统10的R2N 10′，以及来自目标18的GPS系统20的GPS测量20′。参见图3，在时间t＝0处，这些测量为GPS(t)|t＝0GPS(0)＝{x(0)，y(0)，z(0)}(1)R2N(t)|t＝0R2N(0)＝{x′(0)，y′(0)，z′(0)}(2)在图4中以框图形式表现了在图3中用图解法表示的原理。修正系数32——Δ被当作GPS(0)以及R2N(0)的函数进行计算Δ(t)|t＝0Δ(0)＝f[R2N(0)，GPS(0)]≌R2N(0)-GPS(0)(3)在任何时候，都能从Δ(0)中以及其它可利用的信息、数据以及EKF的计算结果中提取出修正系数32——Δ(t)；其中上述其它可利用的信息例如可以是卫星的位置，上述数据来自星载惯性导航系统例如可以是传统的机械陀螺仪系统，它用于监视来自预定位置的目标18所游历的距离。额外的自由度34允许通过处理极端的数据，使双向测距以及导航能校正未知参数。额外自由度34的原理提供了求解额外的未知参数的能力，因此，使得与使用较少参数的等式相比，本发明所作的位置估计更精确。
R2N开关36只在必要以及必需时才允许通信，并能在不必要时阻止通信。该通信线路可被简单地看作是一个开关，它在闭合时允许通信，在断开时阻止通信。
修正系数32在第二预定时间t被加到GPS位置上，且经修正的GPS位置24——GPS*具有以下形式GPS*(t)＝GPS(t)+Δ(t)其中Δ(t)＝f(t，Δ(0)，GPS(t)，……)(4)如图4所示，GPS信号20′被一个GPS跟踪器38所接收，并被转送到比较器40。双向测距导航信号10′被双向导航系统10所接收，并也被送到比较器40，其中信号20′及10′用于确定修正系数32。之后，在第二预定的时间点，将该修正系数32加到GPS信号上，并产生一个经修正的GPS信号24，它用于更新目标18在地面站16处的位置42，这个地面站在目标是飞行器的情况下，是一个空中交通控制站。
图5显示了作为区域修正信号32′而传播给区域内所有用户的修正系数32。在如图4所示并如上所述估计出修正系数32之后，用户可以以任意一种方式例如可以利用双向卫星通信链路将该修正系数32发送到地面站16。之后，地面站16可以向预定区域内的所有用户传播这一修正系数32，这些用户是指能利用该区域修正系数32′来获得经过修正的GPS位置24并能最终刷新目标18的位置42的用户。
对于本技术领域人员来说，很明显，本发明的系统和方法极大地改善了传统GPS的分辨率和精确度，与此同时，还减小了为众多用户频繁执行双向测距导航校准的需求。对每一个区域，只需要一组校正，因此提高了GPS的精度，同时，还由于不再频繁进行双向测距测量而降低了通信费用。
同样，还能很容易地看出，除增加了分辨率和精确度之外，本发明在处理测量和数据方面还具有灵活的优点。可以通过双向通信链路，在用户和地面站16之间转送测量以及其它数据。数据处理既可以在目标18上进行，也可在地面站16上进行。
另外，与差转GPS相似，本发明的系统和方法允许将修正系数32——Δ转换为其后可被传播给一个区域内所有GPS用户的GPS测距校正(Δr1，Δr2，……)，其中为得到最高精度，修正系数32最好是在地面站16计算出的，但也可以是在运载工具上计算出的。在这一实施例中，修正处理变为原始的GPS位置GPS(t)＝f(r1，r2，……) (5)经修正的GPS位置GPS*(t)＝f(r1+Δr1，r2+Δr2，……)(6)其中r1、r2、……是与通信卫星12、14以及15与地面站16之间的空间位置的距离相应的距离。
双向测距导航测量是高精度的。因此，通过用以双向测距导航测量的形式出现的已知的和精确的基准点来修正GPS，可极大地减少来自选择实用性、电离层和大气层的误差。但是，由于大气延迟可以随天气的动态变化而改变，所以不论天气情况是否存在重大改变，都应该执行双向测距导航校准测量。
与差转GPS相似，本发明提供了增强了的定位测量，它使用一个非常精确的基准点来校正误差。但是，与差转GPS相似，本发明不需要事先建立一个基准点。无论何时何地，只要认为合适或必需，本发明都能产生一个双向测距导航基准点。同样，本发明的系统和方法的精度很灵活，并可以得到控制，它允许用户依据他们的特殊目的的需要，来选择精度的级别，而对不需要高级别精度的应用，消除对精度的过度要求，这样降低了操作费用。
当有更高精度的需求时，例如是在处于零能见度条件中的导航，双向测距导航测量的频率就提高了。这样，通过更频繁的修正系数的计算和调整，提高了GPS的精度。这种灵活性使得本发明可以使用到多种应用中，这些应用包括但并不仅限于商用飞行、船只、货运集装箱、水面航行艇以及移动手机。
通过将GPS和双向测距导航组合在一起，为GPS提供了一种备用导航方法。因此，在GPS信号阻塞时，可以单独使用双向测距导航提供完整的导航信号。只要事先在一定时间有一个R2N校准，从而可以在不需GPS的帮助就可进行高精度的定位，可以随时随地通过双向测量导航卫星12和14建立双向测距导航校准基准。这在共同待审专利申请No.08/803,936中有详细描述。
本发明适用于有众多卫星的星群或是若干星群的组合。本发明增强了传统GPS的精度，并为使用更灵活的精度跟踪目标提供了一种简单的方法。甚至是在GPS出现故障时，本发明都能为各种跟踪应用提供精确的导航测量。
尽管是通过附图以及上述详细的说明来说明本发明的特定实施例，但是应该能理解，本发明并不仅限于所公开的实施例，还包括未脱离以下权利要求书的范围的对本发明的无数的重新安排、修正以及替换。
权利要求
1.使用双向测距导航系统(10)对全球定位系统(20)进行校准的方法，所述方法包括以下步骤在第一预定时间，获得目标(18)的双向测距导航测量；在所述第一预定时间，获得所述目标(18)的第一全球定位系统测量；确定作为所述双向测距导航测量以及所述全球定位系统测量的函数的一个修正系数(32)；以及通过在第二预定时间获取一个第二全球定位系统测量，并用所述修正系数来调整所述第二全球定位系统，从而得到一个经校正的全球定位系统测量(24)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定修正系数的所述步骤还包括在所述第一预定时间以及一个已知的卫星(12，14)的位置，确定作为所述双向测距导航(10)测量以及所述全球定位系统(20)测量的函数的所述修正系数(32)。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定修正系数的所述步骤还包括确定作为在所述第一预定时间的所述双向测距导航(10)测量和来自装载在所述目标(18)上的惯性导航系统的数据的函数的所述修正系数(32)。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于确定修正系数的所述步骤进一步包括作为在所述第一预定时间的所述双向测距导航(10)测量以及所述全球定位系统(20)测量和扩展卡尔曼滤波的结果的函数的所述修正系数(32)。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述修正全球定位系统(20)位置的所述步骤还包括使用双向通信链路(12)来延迟数据及测量。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述确定修正系数(32)的所述步骤还包括将所述修正系数转换为GPS修正系数。
7.如权利要求1所述的方法，还包括通过提高双向测距导航(10)测量的频率，来增强所述校正方法的精度。
8.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤向地面站(16)发送所述修正系数(32)；以及在整个预定区域中传播所述修正系数(32)。
9.用于对全球定位系统(20)进行校正的一种系统，所述系统包括一个双向导航系统(10)；一个全球定位系统(20)；用于确定作为由所述双向测距导航系统(10)和所述全球定位系统(20)所得到的测量的函数的一个修正系数(32)的装置；以及使用所述修正系数(32)来调整所述全球定位系统(20)的位置的装置。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述修正系数(32)还包括其它形式的修正系数。
全文摘要
一种方法和系统,它使用双向测距导航(10),通过测量沿着源到目的地经由卫星往返通信而引起的时延,而准确地确定沿该路径的距离。双向测距导航测量被用作校准基准,因此改善了GPS(20)的定位精度。该系统包括用于获取目标(18)的定位测量的GPS(20)以及一个双向测距导航系统(10)。修正系数(32)是被当作这些测量的函数来确定的,且GPS的位置是由该修正系数来调整的。
文档编号G01S1/00GK1256402SQ99122898
公开日2000年6月14日 申请日期1999年12月9日 优先权日1998年12月10日
发明者翁嘉禾, 郑颂德, 章成栋 申请人:休斯电子公司