单点定位系统的制作方法

专利名称:单点定位系统的制作方法
此项申请是申请日为1986年5月9日的美国专利申请NO.861，369的接续。
本发明一般来说是属于基于辐射工作原理的定位系统，更准确地说是一种单点定位系统。一个优选的实施例是利用一颗在同步轨道上的卫星，以一种同时的偏航和横滚方式对地面的一个予先选定区域进行扫描，从而精确测定点幅射源的位置。这类装置可用于发现丢失的或被盗的物品，或为导航系统提供位置信息。它还可为卡车运输公司、出租汽车公司、民航公司、汽车和火车公司、建筑公司、测绘人员和其他有关单位提供位置信息。它还可用来确定配备有适当的发射机的任何个人或物体的准确的当前位置。因此，本发明可帮助找到失踪的或被绑架的儿童。它还可用作汽车失事或公路紧急情况的即时通信，以及作为旅行者、徒步旅行者、慢跑步者和其他人员的轻便型安全装置。基于卫星下行扫描发射的峰值检测，则可采用无源接收机-计算器方案精确地确定当事地点的位置。这里所用的“峰值信号检测”包括其他的信号方向检测手段。
人们早已认识到，需要一种迅速而准确地确定一个物体或个人的位置的可靠方法。在如船只失事、飞机失事或汽车出事等紧急情况下，迅速而准确地确定位置的能力经常是一件生死悠关的事情。当一个小孩失踪或被绑架时，迅速而准确地确定他的下落也同样是生死悠关的。进而言之，对年老体弱者来说，在作医疗处置或其他紧急情况下及时通报他们准确的当前位置是使他们重新获得旅行和独立行动自由的手段。对出租汽车公司的调度员来说，及时了解车队中每辆车辆的准确位置能使他命令其车队中距离最近的出租汽车对用户的召唤作出响应，从而节省时间和费用。当然，在诸如高速投递服务等类似的服务行业中，也可节约时间和费用。当作为一种可靠而精确的定位系统用于飞机上时，能对飞机碰撞起迴避作用和提供良好的导航信息，使对任何目的地作直线飞行，从而节省时间和费用。在接近机场和着陆时，飞机可利用这种导航能力提供的附加精度获得一种在任何机场上都可工作的仪表着陆系统，而不像目前，能提供这种能力的仅仅是有限数量的机场。对于船只来说也具有这样的优越性，由于在远距离范围的直线导航上节省了时间，从而降低了费用和具有更大的灵活性。在军事用途方面，准确的确定军队和战车的位置对战场指挥员是极端重要的。从军队和武器位置的实时显示中可立即反映出战斗的消长。对处于危险地区的外交官来说，在恐怖分子的活动已发展到扣押人质的情况下，一种精确而轻便的定位系统可作为一种安全措施，通过准确地知道人质的目前位置，可大大提高营求成功的机会。这种定位系统还可有利地用于诸如汽车报警系统这样的安全系统中。
试图提供迅速而精确定位信息的先有技术都具有下述主要的局限性成本高、复杂、不精确、重量和尺寸大以及有限的工作距离。这类有关的先有技术列于下表3，063，048Lehanetal(莱汉等人)3，242，494Gicca(基卡)3，440，635Hull(赫尔)3，702，477Brown(布朗)3，703，714Andrews(安德鲁斯)
3，786，413Matthews(马休斯)3，789，409Easton(伊斯顿)3，795，896Issacs(爱萨克)3，852，750Klein(克莱因)3，852，763KreutelJretal(小克洛脱等人)3，893，069Mason(梅森)3，906，204Rigdonetal(里格登等人)3，941，984Chappelletal(查培等人)4，012，728Fowler(费勒)4，114，155Raab(雷伯)4，161，730Arderson(安德逊)4，177，466Reagon(里根)4，188，614HabibJr(小哈比)4，260，982DeBenedictisetal(德贝勒的克梯斯等人)4，276，553Schaefer(沙发)4，359，733O′Neill(奥勒)4，383，242Sassoveretal(萨梭维等人)4，445，118Tayloretal(泰勒等人)4，523，178Fulhorst(富霍斯特)3，063，048号是莱汉等人的专利，这是关于一种利用单个人造卫星来确定车辆位置的搜索和定位系统。发射机向卫星提供一个连续波信号。但是卫星不是固定不动的，当它接近和离远时，由于多普勒效应，卫星所收到的信号频率是变化的。当卫星最接近物体时，所收到信号的频率以最大的速率而减小。在卫星上，一个锁相回路将一个变频振荡器锁定于输入信号。变频振荡器的输出再与一个晶体振荡器的输出差拍，产生一个音频的拍频信号，其频率变化与输入信号变化的形式一致。
3，440，635号赫尔的专利是关于一种向警方告警的系统。它提供一种供个人携带的发射机。在此文献中，发明者利用一个由个人携带的便携式告警发射机，依靠在两个警察局的按同样方式工作的测向器同时测定方向，从而向一个中央位置，如一个警察局发信号。这样就提供一种确定发射机发出告警信号的原始位置的能力，因而可测出发信号的人的位置。
3，703，714号安德鲁斯的专利是关于一种远距离告警系统，当对一辆车辆发生未经授权的接近时，它就向位于另一地方的接收机发出告警信号。这种系统含有一个便携式远距离收发信机，用于发射和接收信号。在车辆上装有无线电收发信机，它在工作时调谐到接收远距离收发信机的信号并向它发送信号，远距离收发信机还有一种功能，即如果需要的话，信号可以从收发信机发回到车辆上的收发信机去，用以启动车上某种告警系统。
3，852，750号克莱因的专利是关于一种导航卫星系统。但是它是利用多个同步卫星转发器以确定地面各种去向的车辆的位置。采用三个同步卫星交替地转发带多个低频音调信号的射频载波调幅信号。每辆车辆有一个通讯接收机，它含有一个调幅检波器和一个定位系统。通讯接收机的调幅检波输出耦合至定位系统，根据低频音调信号的相对相位可确定车辆的位置。
3，893，069号梅森的专利介绍的是一种车辆告警系统。用来向拥有者警告未经授权进入车辆的情况。这种系统含有一个发射机/接收机，它可以是一种步话机(Walkie-talkieUlit)形式的装置。车辆的拥有者可以处于发射机的工作范围之内，当有人摆弄车辆时，由于启动若干个隔板，致使那些开关中的任何一个闭合时，即启动发射机而使拥有者得到告警信号。因此，此项专利介绍的是向处于远距离的车辆拥有者或用户发出有关他的车辆被人摆弄的告警信号。
3，906，204号里格登等人的专利介绍一种卫星定位系统，通过对于从卫星发来的信号进行处理，可确定地面任何类型车辆的位置。但是这不是一种固定的卫星，定位是基于发往卫星信号的多普勒频移以及配合在信号中编码的轨道描述数据。
4，177，466号里根的专利介绍的是一种自动式偷盗检测系统，它提供一种经改装的发射机通过天线可广播发射一个呼叫信号。发射机与一个编码器相耦合，它对呼叫信号进行调制，以便在众多的汽车中区分出此特定信号属于哪一辆车发出的。在中央控制台讯问时，车辆即可广播发射一个定位信号。系统备有指示器，它对定位信号作出响应，据此可以确定可能丢失的车辆的位置。
4，276，553号沙发的专利是关于一种从同步地球卫星上测定辐射能量源的位置的系统。这种系统及所用的方法是将一个窄波束宽度天线的波束对一个包括有辐射源的予定的区域以第一和第二正交方向进行扫描。天线在每个扫描方向上所传递的高能量电平被检测出来，并将检波器的输出馈送至一个记录器使与波束的扫描位置相关。尽管卫星是固定的，但它必然要用多个地面台站去寻找目标。
4，445，118号泰勒的专利是关于一种导航系统，它使用一个地球同步卫星与由多个卫星组成的全球定位系统配合工作。对全球定位系统中在轨道上运行的多个卫星所发射的多个信号进行处理，即可提供地面上各种车辆和其他源位置坐标。由一个地面控制台所产生的截获辅助信号通过同步地球卫星被转发到各个用户终端。
上述各种先有技术或申请者所知的任何其他先有技术，都不能提供这样一种定位系统，它利用单点卫星或其他这类工作台与单个地面台站配合工作，以精确测定信号源的准确位置。此外，上述各种先有技术或申请者所知的其他先有技术都不能提供一种定位系统，它采用诸如高地球同步卫星这样的单个工作台，利用偏航和横滚的组合方式进行扫描，使之产生精确测定辐射能量源的准确位置的定位信息。就申请者所知，没有一项先有技术利用基于单点卫星的、具有精确已知的天线扫描方式的发射机，通过一个无源的接收机-计算器，提供估计当事地点位置的能力。
本发明的定位系统在一种特定的实施例中，被定位的对象上装有或附有一个无线电发射机，该发射机按照某个检测装置的命令和/或由一个指挥中心在一个或多个频率上发出的启动信号而广播发射一个选定频率的信号。此系统还有一个位于高地球同步轨道上的卫星，它具有以横滚和偏航方式作扫描运动的能力。通过这样的运动，这种扫描对地球的整个可见表面画出搜索图形。只有在这样的偏航和横滚组合情况这时三角测量线正好穿过目标、并且无线电接收机调谐到接收位于或附于被定位物体上的无线电发射机的一个频率或多个频率的情况下，卫星上的窄波束天线才能接收从地面台站无线电发射机传来的信号。
卫星上还有一个无线电发射机，从地面台发射机所接收的信号由它转发至指挥中心，在那里经过三角测量法可求出待测定位置物体的准确位置。在另外一个实施例中，本发明的卫星含有一个窄波束监视器或检测器件，例如一个红外检测器或类似的装置，仅当三角测量线通过目标的偏航和横滚组合的情况下，才能检测出信号。这个卫星还包含有一个无线电发射机将信号转发至地面指挥中心，在那里经过三角测量可确定物体或其出现的准确位置。虽然在这里所介绍的特定优选实施例中，将信号源发射的信号转发至地面指挥中心的扫描工作台是位于高地球同步轨道卫星上，但本发明的各个组成部分也可方便地用于在位于如低地球轨道卫星、飞机、直升机、山顶和类似的其他位置上的工作台上。此外，虽然在优选实施例中，卫星的扫描是通过它的偏航和横滚运动来实现的，对熟悉与本发明有关的技术领域：
的技术人员来说，很明显这样的扫描可以完全由电子学的方法来代替，如用相控阵列天线或连接于另外的固定工作台上的一个机械式可动天线来实现。
本发明的地面站发射机部分可以取一种比较简单的便携式发射机形式，它能按照命令在一个选定的频率以较低的功率发射一个予选的编码信号，从而把识别发射源的信息传送到卫星或其他工作台。此外，本发明的卫星或其他工作台部分也可取较简单的实施方案，因为工作台的功能是简单的。更精确地说，工作台的功能仅仅是转发所接收的发射信号，或是直接地或者是间接地向单点地面站转发，或者另一种方法是，响应于所检测的各种形式辐射能量而简单地产生一个无线电频率发射。本发明的地面台包括一个能接收卫星产生的信号的合适的天线，对信号进行处理的接收机和利用此信号传送的数据的计算机。
虽然本发明实际上的用途是无限制的，它的一种特别有用的应用是用于移动式安全系统，如汽车告警系统，众所周知，汽车告警系统的主要局限性是对告警触发缺乏确保的响应。一般，响应(如果有的话)依赖于有人注意到喇叭声或车头灯的闪光，然后再花时间打电话报告警察局。本发明通过卫星提供一个信号以及车辆的准确位置，使得接收的指挥中心可以提供关于入侵通知的可靠保证，以及向有关当局提供确切位置的信号。在此用途中，本发明的发射机部分可位于车辆上，并可配备有数字键盘和其他安全措施，以确保只有经授权的车辆工作人员才可接近和接触车辆。否则系统就自动启动，产生一个具有适当定位和识别信息的信号，向例如像本发明的人造卫星一类的工作台发射出去。所发射的信号最终被地面台所接收，从而可精确测出车辆的当前位置，并且不仅可通知当局车辆被盗，而且知道在哪里可以找到它，使之物归原主。
第二种实施例采用相同的扫描方式，但不用上行线路发射机而用无源的接收机-计算器，它不需借助地面的指挥中心就可确定各个被测对象的当地位置。每个这种接收机-计算器设计成使峰值信号检测与卫星发射信号的偏航和横滚数据相关，基于多重相关即可计算出当事地点位置。第二种实施例中的位置计算方法基本上与第一种实施例的指挥中心所用的方法相同。这里所用的“峰值信号检测”包括峰值信号强度检测，对第一个和最后一个信号截获取平均值，对所有信号截获进行计数和取平均值，以及确定信号最大强度方向的任何其他技术。
为此，本发明的主要目的是提供一种特殊精度的定位系统。
本发明的另一目的是提供一种相对地说简单、廉价的定位系统，该系统采用一种足够小的尺寸的、用户可便携的辐射能量发射机。
本发明另一个目的是提供一个在世界范围工作的定位系统。
本发明另一个目的是提供一个基本上实时工作的定位系统。
本发明另一个目的是提供一个具有传送信息能力的定位系统，以便给用户提供一种紧急情况下通讯联络的方法，它既可以是主动的，也可以是被动的，以便指挥中心可以给予适当的帮助，或者可与用户之间收发传递其他信息。
本发明另一目的是对活动体提供一个警报系统。在此，未经批准而闯入车辆或其他物体引起有关当局对其准确当事地点的保安响应。
本发明另一个目的是提供一种用于远距离监控各种类型的机械装置或化学过程或类似装置和过程的方法，这种方法保证在接收到识别出一种异常情况信号时的合适的应急措施。
本发明另一个目的是提供一种用于产生干扰警报的方法，这里远离电话通讯系统，或者，各种因素致使利用基于卫星的系统对用户更合乎需要的。
本发明的另一个目的是提供一种计算当事点地位置的定位能力，该能力是由地面接收机接收从卫星扫描发射机发出的信号，利用信号中的卫星横滚和偏航数据而获得的。
图的简单说明本发明前述的目的和优点以及附加的一些目的和优点，通过结合下列各图的最佳实施例的详细说明，可得到更全面的理解。
图1是利用单点卫星的本发明的设计示意说明图;
图2是本发明可替换的设计意图说明图，其中，利用单点卫星作定位和第二颗卫星转发到地面站。
图3是本发明主要部件方块图;
图4是本发明工作台采用的偏航和横滚搜索图形的分量轨迹示意图，这是属于一个高地球轨道同步卫星对于地面信号源发射来的信号，扫描对地球可视到表面的实施例。
图5是本发明在30度偏航角范围内依据从卫星的真北为基准的横滚角的跟踪方式的示意图;
图6是用于图4所示的单个目标的按所选频率的横滚和偏航峰值信号强度的图形;
图7是采用一个地面信标台或一系列地面信标台提供对卫星横滚和偏航轨道位置修正数据参考的本发明工作程序方块图;
图8是采用一种用于保证卫星横滚和偏航轨道数据精度的可替换的方法的本发明的工作程序方块图。这种方法是以卫星上(on-board)仪表为基础而不需要地面信标台。
首先参看图1，可以看到构成本发明的卫星实施例，它提供一种手段用来向地方当局告警使其响应某些种类的紧急情况，这些紧急情况与由本发明的工作台定位的信号源发射相关联。按此法本发明含有一个卫星10、若干台发送装置12和14、一个地面台16和若干条地面通信线路18和20。在图1中说明的本发明的设计思想中，含有一种对来自用户的信号实行闭环/有保证的响应的考虑。为简化说明，仅示出2个信号源发送装置，但显然更多用户可以同时有使用该系统的机会。发送装置即要被卫星10会同地面台16一起来定位的信号源的发射机，显然可以用于许多定位用途。例如，一种这样的发送装置可用于当车辆被未经授权的人员进入或将其移动位置时，具备自动发送一个适当信号的手段。另一方面，该发送装置也可由遇难中的或者要求帮助的司机或乘客来起动或发动。再者，这种发送装置可为坐在轮椅中需要紧急医护帮助的人员所使用。发送装置12和14发送一个无线电信号，该信号由本发明的卫星10所接收。此卫星例如可位于同步地球轨道上。卫星10将发送装置12和14两者或其中之一发送的信号转发到地面台16。该地面台包含一台计算机和指挥中心;信号中所包含的信息在那里得到处理，然后将一个适当的应答信号通过地面通信线路18和/或20发出，以便向最近的适当的应答中心如医院、汽车俱乐部或警察部门报警。
图2所示的本发明的概念基本上与图1中所示的概念是相同的，但不同的是，另有一个同样处于同步地球轨道上的商用通讯卫星22。在图2所示的配置中，卫星10不是把地面信号直接转发到地面台16，而是把此信号转发到商用通讯卫星22上，然后卫星22再转而把此信号转发到地面台16。商用通讯卫星22并不构成本发明的一部分，而且事实上它之所以包含在图2中仅仅是要说明本发明的定位系统可被很容易地构成，以便获得这样的优点，即在附近的同步商业卫星中获得可利用的通信通道，从而具有减少本发明的卫星部分的发送功率的可能性。然而，还应了解的是，本发明的卫星部分并不依赖这样一种靠近的商用同步卫星提供的通道。因此，本发明在这一点上不应被认为是有局限性的。
本发明的主要组成部分以方框图形式示于图3中。更准确地说，例如在此所说明的发送装置或地面台12或14可这样地组构，使得可响应一个或多个可供选择的触发装置。这些装置例如包括用于远距启动的无线电接收机，供用户启动的应急按钮、运动检测器、加速度计、红外探测器、噪声检测器或用于确定非法闯入车辆、办公室、住宅的类似装置，或者一种监控病人痛苦表明需要即刻的医药帮助的医疗检测器、或者用于防火的热度或烟雾探测器等。根据上述种种应用中任意一种的或其他的信号源所引起的启动，编码器30产生一个独特格式的数据，诸如串行二进位码格式，它标识由串号代表的发送装置和紧急情况的类型或所希望的应答，从而可以作出适当的响应。编码器30将编码信号送至一个适当的无线电发射机32，该发射机的频率和功率都是经过选择的，信号通过天线34发送，并使之能够被卫星10进行检测和按下文中将要描述的方式确定发送装置的位置。
如图3中进一步所示的，同步轨道卫星10包括一窄波束宽度天线36、一台无线电接收机38、一台无线电发射机40和天线42所组成。如在下文中将要讨论的那样，还可提供可选用的定位罗盘43。窄波束宽度天线36被用来作为搜索地球表面的手段，这在下文中将要叙述。窄波束宽度天线36最好产生一个细长铅笔形定向天线方向性图(elongatedpencilbeamantennapattern)，这种方向性图在一维上具有一窄波束宽度，以便很容易地保证扫描方位与峰值信号强度检测相关，在第二维上为保证探测而成细长的图形。一种用于无线电频率检测的高增益天线的细长线性阵或这样一种用于红外检测的红外检测器线性阵都被认为是合适的。天线36被连到无线电接收机38上，借助无线电发射机40和天线42对所接收到的信号进行转发。因此，同步地球轨道卫星10是一种简单的接收/发射卫星，它利用一窄波束天线在每次横滚或偏航期间用于搜索地球可见表面，以便对由卫星接收系统所接收的任何无线电发射进行转发。正如下文将要更充分阐明的那样，卫星10具有一个独特的轨道图形，在一个优选的实施例中为横滚速率为12转/分和偏航速率为1转/分相组合，如果，这种组合的作用形成在适合于点源幅射发射的三角测量的角度下，对地球表面的差动扫描(differentialscan)。
卫星10用下行天线42将传送装置信息再发射或转发到地面站或计算机和指挥中心16，下行天线信号通过天线44来接收，它的输出加到解码器46和无线电接收机48。解码器46和无线电接收机48通过对信号的解码(该信号原来由发送装置的编码器30所编码)和通过分析信号中代表的数据(此分析是通过对扫描定位与卫星接收的峰值信号的相关处理而获得的)，从而对编码的无线电转发信号进行处理。计算机50保持跟踪卫星的横滚和偏航率，并通过测定在轨道上接收到发送装置峰值信号的点，计算机确定相对于真北或轨道上其他参考基准(在此处，信号被卫星所接收到)的角度。
在此所说明的本发明的优选实施例中，每个偏航轨道期间可从每发射点源接收到24个横滚轨道信号，计算机将这些信号进行三角测量计算，以便确定发送装置的位置。信号中的编码信息告诉计算机发送装置发送信息的类型，并要求适当的回答。计算机50搜索数库52以确定街道地址或其他可识别的最接近发送装置位置的地标，以及最接近的紧急应答中心诸如警察局或医院的位置和电话号码。在数据库52中找到的信息可以在显示器54上显示。计算机是与自动拨号器56相连的，拨号器56具有用电话通知紧急应答中心的能力，它是以计算机化语音合成的形式发出有关紧急情况的通知的，或者，可替换的方式是通过电话员来叙述适合于处理该种情况的最好回答。自动拨号装置56可以与几条地面线路58连接，或者可替换的方式是与无线电发射机60以及天线62相连接。后者与几条卫星线路64相联系，以提供直接的卫星下行线路将紧急情况转发给适当的紧急应答中心。
本发明仔细考虑了两种可供选择的方法，用于提供卫星10扫描定位的信息指示。一种方法包括使用按图3中方块图形式说明的地面信标台24。每一种这样的地面信标台包含有编码器66，无线电发射机68和适宜的天线70。地面信标台位于贮存在地面站16的计算机50中的已知位置上(指计算机存贮了有关此信标台地理位置的信息)。因此，当地面站16接收到一个地面信标台编码转播指示时，它能容易地采用地面信标台已知的精确定位来准确地确定在一个精确时刻的卫星扫描方位。从而，卫星10的扫描方式利用这种信标台可定期地测定或证实。每个这种信标台的编码器66产生一个识别特殊信标的编码信号，因而指示出这种信标台的精确位置。编码信号用无线电发射机68和天线70发射到卫星10。
用于确定卫星扫描方位的一种可供选择的方法是用一个定位罗盘，在图3中作为卫星10的一部分用虚线方框表示。定位罗盘43表示用于瞬时地确定在任意时间的卫星的相应的偏航和横滚位置的多种方法之一，诸如恒星定位、星图识别、陀螺、红外检测和其他的仪表。
本发明里的卫星或其他的工作台部分可用于对处在地球表面上、或接近地球表面的预选的地理区域的辐射能源进行定位的方法，通过参照现在讨论的图4、5和6，可被最好地理解。更准确地说，图4示出的是组合扫描图形(CompositeScanningPattern)的各个分量，本发明利用此图形对来自发送装置的信号扫描可见的地球表面。为明显起见，图4示出位于偏航轨道扫描轨迹界外的单个目标。然而，可以认为本发明既不局限于单个目标、也不局限于位于扫描图形的偏航轨迹界外的单个目标，并且本发明可以检测多个目标以及位于投影到地球表面的扫描轨迹界内和界外的多个目标。
在本发明的优选实施例的一种典型应用中，卫星10是在地球上空不动的，或在地球表面上空的同步轨道上，如图4中的75所示的园表示从大约2.2万英里上空的卫星位置对地球表面的投影。在这样的投射表面上，卫星10或其天线部分的连续偏航自转会产生第一轨迹72，它在图4所示的特例中从类别上被考虑成弧形的特定环形。可以认为轨迹72表示卫星10的窄波束宽度天线36的主波束的轴与地球表面之间由于卫星或天线的一个运动分量所形成的交点。
本发明的卫星10的扫描图形的其他分量以若干条第二弧形或环形轨迹74来表示，这在图4所示的特例中说明，沿着第一弧形轨迹或环形轨迹72，有12个按均匀间距分布的轨迹74。每个这样的园环74表示沿着卫星10的天线36的主波束轴扫描的图形的横滚分量。可以认为轨迹72与74相结合的效果是以外圆滚线或长短幅园外旋轮线形式的复合图案。
在每次横滚轨迹74期间出现的来自辐射源的峰值信号强度被记下来，将它与卫星窄波束宽度天线的扫描线进行相关处理，所以每次这种横滚轨迹74的单个径向射线是可以被识别的，实际上这种径向辐射线是指向被卫星天线接收的辐射信号源的。在扫描图形围绕着偏航轨迹72的整个移动期间，对于每条横滚轨迹74至少识别一条这样的径向射线。在图4所示的特例中对于偏航轨迹72的每次移动(在此有12次横滚轨迹)，将有12个或24个这样的径向辐射与每个目标(诸如图4所示的单个目标76)相关联。这样的径向辐射的交点将发生于目标的准确位置上。
为了说明这些用途，可以通过这种径向辐射和卫星的真北之间的角度来识别每次这样的径向的(radius)或辐射状的(radial)线。图4所示的特例的每条径向辐射线的这种角度都示于图5，由此可以看到，对于图5所示的特定目标76的目标截获横滚角，在假定目标76在整个偏航轨道经历的短暂时间内保持不动的情况下，该角度可在最小大约为65度到最大大约为152度之间变化。横滚轨道截获角度(以度表示)相对于偏航轨道自转(以度表示)代表的扫描图形方位的实际变化可用图6的曲线来表示。与横滚轨道轨迹77相对应的零度偏航轨道方向是指向地球表面75中心的正北的。
图6的曲线表示在一个偏航轨道轨迹上各个横滚轨道轨迹点的轨线(locus)。由此，峰值信号产生的各径向线指向它们共同的交会点-目标76。可见在一个偏航轨道中，对图5中的给定的目标76来说，虽然横滚轨道的数目会影响确定目标位置的精度，但是在横滚轨道上产生的所有的点，不管这种横滚轨道的数目多少，按照其偏航角度都会落在图6的曲线上某些位置上。而且，通过这些点的径向射线都将在目标76处会合。
本发明中地面站所用的提供定位数据的过程示于图7和图8的流程图中。除去图7中使用一个信标台来产生偏航和横滚角数据外(在图8的过程中此种信息则由“定位罗盘”产生)，图7和图8实际上表示的是相同的过程。因而，这里只要介绍这些流程图的一个就能说明问题。以图7所示为例，由图可见，在卫星上对所接收到的从发送装置或地面站来的上行信号作出响应，假定横滚速率为12转/分，则卫星以24次/分的频率反复读取上行信号。每次当卫星读取或反复读取信号时，它被发射或向下转发至本发明的统一的地面站，在那里对信号进行解码识别，以便确定贮存在数据库中任何识别信息与从卫星接收的发送装置来的信号中的特定编码是否相符。
地面站的功能包括首先将转发的信号送往计算机。对被处理的特定的横滚轨迹，当检测到峰值信号时测出卫星的横滚和偏航角，据此由计算机算出发送装置的三角测量线。在图7所示的本发明的一个具体实施例中，横滚和偏航信息至少被结合图3所介绍过的一个或多个地面信标台所得到的数据所修正。具体地说，如果根据对地面站或发送装置的编码信号进行解码的结果，确定此编码对应的是位于被扫描区域内的一个精确已知的位置上的一个信标台发射机，则此信标台信号被加到计算机上，计算机将从信标台的位置所计算出的实际的横滚角和偏航角与基于以前这类计算所贮存的或假设的横滚角和偏航角进行比较。如果事实上在实际的和贮存的横滚角和偏航角之间有区别，则对计算机的数据库进行修正以消除此差异。
如本发明的上文已指出的图8的结构中，计算机所完成的处理过程基本上是相同的，但是修正信息的源是由卫星上的测试仪器所提供，此仪表在本文中一般地称为定位罗盘。不论在哪一种情况下，经过修正的横滚和偏航角信息加至由计算机执行的计算过程，以便对一个特定横滚轨道根据被检测的发送装置的峰值信号测出特定的三角测量线。计算机然后再确定线的程序。具体地说，它要判定所计算出的线是所收到的第一条线，还是后继的线。如果它是所收到的第一条线，则打开一个文件，然后计算机就等待下一个输入。如果不是第一条线，计算机再判断确定线计数是否大于某个规定的最小值，如24线。如果不是，计算机就等待下一个输入。如果线计数大于规定的最小值，就可通过计算线的交叉位置(interceptlocation)而算出信号源的位置。位置和其他与信号源有关的识别信息可以显示出来，然后就可采取与此情况相适应的行动，如通知当地警察局或其他当局。
可能会有这样的情况，即最好避免使用指挥中心或不必要在每个定位的位置上采用上行发射机。本发明的第二个具体实施例使具有这种要求的方案成为可能。具体地说，通过提供一个卫星上的发射机，它产生一个含有精密的、实时的偏航和横滚扫描数据，则一个地面的无源接收机就可用来计算出它自身的位置。这可通过对峰值信号的检测与偏航和横滚数据或与多次横滚扫描进行相关来达到。这与在第一具体实施例中的指挥中心所用的方法基本相同。第二种具体实施例对于船员等人员特别适用，这些人员可能需要确定精确位置以供导航用。虽然第二种方案的地面系统不需要发射机，但是它最好备有相当于HP公司41C型可编程计算器那样的计算器，以便根据接收机的多次相关获得精确的位置。计算器执行图8中的算法程序，但不需要解码和定位罗盘修正步骤。
由上可见，本文所介绍的是一种新颖而极为优越的单点定位系统，它采用独特的扫描图形来产生峰值信号数据，此数据可用于计算出处在被扫描区域内信号源的位置。本文介绍了按照本发明的一种具体优选实施例。它采用在高地球同步轨道上的一颗卫星。卫星提供一个细长的窄波束宽度的天线方向性图，方向性图的中心线可同时按偏航及横滚方式而作扫描，这种扫描方式是借助于卫星在偏航和横滚方向的机械运动、天线的机械运动、或者天线方向性图以电气和机械组合方式的运动而获得的，这样，使得对地面上一个大的区域作扫描。虽然在优选实施例中，用本发明来定位的信号源将是一种无线电频率或微波电磁辐射的形式，实际上任何形式的辐射能量如红外、电磁、光或声能都可用于本发明的其他实施例中。此外，本发明的扫描装置，即用以产生扫描图形的工作台，也可位于低地球轨道的飞机、导弹、直升机或其他装置上。
单点装置将信号源的发射信号或其中的信息转发至一个地面计算机/指挥中心，它将单点装置的扫描位置数据与所收到的发射信号相关，基于轨道数据与峰值信号检测数据的相关就能实际算出信号源的位置。可利用设置在精确已知位置上的信标台，按照卫星或其他转发工作台的偏航和横滚角度对数据进行周期性的修正。地面计算机对于单点装置在每个偏航轨道上所产生的多重横滚轨道的峰值信号作三角测量计算，即可测出信号源的准确位置。计算机还可对数据库进行搜索以识别信号源及提供以前贮存在数据库中的有关信息。本发明对于测定被盗车辆的位置及寻找被绑架的人员特别适用，在这些情况下只要这些车辆或个人携带有发送装置或地面台，对预先确定的条件(如对车辆的未经授权的接触)作出响应而能触发地面站工作，或者由被绑架人员或其他处于危险状态的人员来触发地面台。
对于本发明所属领域的技术人员来说，可以理解本发明的应用实际上是无限制的。举例来说，本发明可以方便地用于导航，根据对军用和民用飞机实际飞行路线的实时掌握，即可控制它们的位置。此外，本发明的两种实施例由于能使陆军部队或舰队的指挥员及时了解他的人员或船只的精确位置，因而有着广泛的军事用途。第二种实施例无需地面的发射功能即可提供这种能力。而且由于本发明不限于任何特定类型的辐射能量，它还可用于发现和报告一种异常情况的出现及其位置的定位，如长输油管道的泄漏，或森林火灾，使得在小的火情还没有造成重大损失之前即能早期被发现。
本发明在本文中已详细说明，使得本领域的技术人员能掌握和使用本发明。相应地，一些已经在本技术领域：
易得的具体细节或技术规范如地面台站和卫星之间的无线电传输频率等，为了避免冲淡本发明的主要特点都略而不谈。作为例子，本文中提到的峰值信号检测器虽然没有专门介绍，它可以是常见的多种调幅波解调和检测电路的任何一种，例如图7的电路(美国专利号4，276，553)，该专利在前面已提到过。由此可见，本发明可以用各种可选用的方式，采用各种处理方法来实现，但是，所有这些实施手段和信号处理方法都应认为是属于本发明范围之内的，而本发明仅受其所提出的权利要求
所限制。
权利要求
1.一个定位系统含有一个在扫描区域内待测定位置的辐射源；一个转发设备，该转发设备具有按照规定的图形扫描所说区域的装置，所说的图形是由通过所说的区域的第一环形轨迹和多个第二环形轨迹所组合成的，所说的多个第二环形轨迹比第一环形轨迹要小些并且沿着所说的第一环形轨迹匀称地间隔开，该转发设备还具有用于测定在所说的辐射源和在至少两个所说的第二环形轨迹上的各一个点之间的各自直线方向的装置，因而，在所说的扫描区域内所说的辐射源的位置是由所说的这些直线的交点来确定的。
2.根据权利要求
1所述的定位系统，其特征在于所说的转发设备含有用于向所说的测定装置转发所说的辐射源的辐射现象的装置。
3.根据权利要求
2所述的定位系统，其特征在于所说的测定装置含有一个峰值辐射检测器和从所说的辐射源的峰值辐射检测，确定在每一个所说的扫描第二环形轨迹上的点的装置，该峰值辐射即是在该点被检测到的。
4.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的辐射是电磁辐射。
5.根据权利要求
3所述的定位系统，其辐射是红外线形式的。
6.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的辐射源含有一个无线电发射机。
7.根据权利要求
6所述的定位系统，其特征在于所说的无线电发射机能产生一个指示发射机标识的编码信号。
8.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的转发设备含有一个辐射接收机和发射机。
9.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的转发设备含有一个地球轨道卫星。
10.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的转发设备含有一个同步轨道卫星。
11.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的测定装置含有一台可编程计算机，所述的定位系统至少还含有一个在所说的扫描区域内的辐射源，其所在的精确位置是被所说的计算机所已知的，从而，能够有选择地标定所说的定位系统。
12.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于所说的辐射源含有响应预定事件而有选择地启动的装置。
13.根据权利要求
12所述的定位系统，其特征在于所说的辐射源位于一个运载器里，所说的预定事件是对所说的运载器未经授权的接近。
14.根据权利要求
12所述的定位系统，其特征在于所说的辐射源是在一个人的身上，所说的预定事件是对这个人有危害。
15.根据权利要求
3所述的定位系统，其特征在于还含有用于对所说的辐射源的测定位置进行通讯的装置。
16.根据权利要求
9所述的定位系统，其特征在于所说的转发设备还含有另外一个用于与所说的测定装置进行下行通讯的卫星。
17.用于确定地球表面规定地理区域内辐射能源位置的系统含有一个位于所说的区域上的轨道卫星，所说卫星具有用于检测所说的辐射能的装置，用于按一种选定的图形扫描所说的区域的装置，以及用于转发所说的辐射能的装置;所说的选定的图形含有由通过所说区域的第一弧形轨迹和沿着所说的第一弧形轨迹的多个第二弧形轨迹的组合;以及一个地面接收设备，该设备具有用于接收所说的转发辐射能的装置，具有用于当峰值辐射被所说的检测装置检测到时，确定与在每一条这样的第二弧形轨迹上的一点有关的辐射源峰值辐射方向的装置，在这些弧形轨迹上，所说的扫描装置是分别地进行扫描的，并且具有用于计算供定位所说的辐射源的所说方向的交点的装置。
18.根据权利要求
17所述的系统，其特征在于所说的扫描装置含有一个窄宽度天线，天线的主波束是指向所说的地理区域和按所说的选定图形连续移动的。
19.根据权利要求
18所述的系统，其特征在于所说的主波束依靠所说卫星的相应运动而作连续移动。
20.根据权利要求
19所述的系统，其特征在于所说卫星的所说运动包含有近似1转/分的偏航从而产生所说的第一弧形轨迹，以及近似12转/分的横滚从而产生所说第二弧形轨迹。
21.根据权利要求
18所述的系统，其特征在于所说的主波束连续移动，依靠所说的卫星相应的运动从而沿着所说的第一弧形轨迹进行扫描。
22.根据权利要求
21所述的系统，其特征在于所说的主波束连续移动，依靠所说的天线的机械横滚运动从而沿着所说的第二弧形轨迹进行扫描。
23.根据权利要求
17所述的系统，其特征在于所说的扫描装置含有一个构成细长的窄扫描波束的窄宽度波束天线的纵向延伸的阵列。
24.根据权利要求
17所述的系统，其特征在于所说的扫描装置含有一个红外线检测设备的纵向延伸的阵列。
25.用于确定地球表面规定地理区域内接收机精确的实际位置的系统含有一个位于所说的区域上的卫星，所说卫星具有在发射出指示其瞬时扫描方向的信号的同时，按一个选定的图形来扫描所说的区域的装置，所说的选定的图形含有由通过所说区域的第一弧形轨迹和沿着所说的第一弧形轨迹的多个第二弧形轨迹的组合，以及一台用于接收所说信号的接收机和用于确定峰值信号强度方向，以及分别使所说的方向与相应于每个这样的第二弧形轨迹上一个点的所说扫描方向相关，用于计算所说的各方向的交点从而对所说区域内的所说接收机定位的装置。
专利摘要
一种单点装置定位系统，利用独特的扫描图形产生峰值信号数据，用来计算被扫描区域的一个信号源位置。其扫描装置可为高地球同步轨道的一人造卫星也可为低地球轨道的卫星、飞机、导弹等，被定位点源可为任何辐射能的发射器(物或人)。该单点装置将信号源的发射信号转发到一计算机化的指挥中心，将单点装置数据与接收的发射信号进行相关计算而算出被测源的位置；也可采用不借助于地面指挥中心的方案就可确定各被测对象的当地位置。
文档编号G01S5/00GK87104098SQ87104098
公开日1988年3月2日 申请日期1987年5月9日
发明者理查德·阿瑟·哈拉维斯 申请人:理查德·阿瑟·哈拉维斯