卫星星历误差的制作方法

专利名称：：卫星星历误差的制作方法
技术领域：
：本发明涉及卫星星历误差，且更具体地(尽管不只是)涉及对由其引起的地理位置测量误差的确定和/或补偿。
背景技术：
：卫星星历或星历组(ephemerisset)是至少六个参数连同相关联时刻的列表，根据这些参数，有可能计算出地球轨道卫星在空间中的位置和速度。出于多种原因，它是重要的参量，但在地理定位领域中有一个尤为重要的用途，即对造成未经许可使用或干扰卫星远程通信信道的地基发射机或地面站进行定位。在使用常规地理定位技术之前有必要获得卫星星历信息。星历具有取决于其坐标系的格式。开普勒要素最常见地是指参考哪个位置描述轨道体(orbitingbody)从地球原点到空间中固定点的运动。这种类型的两种最常见参照系是地心惯性坐标系(ECI)和地心固定坐标系(ECF)。未经许可访问卫星是一个问题，包括从仅仅造成不方便访问卫星，到完全拒绝合法用户访问卫星。由于基于卫星的服务的迅速扩大、个人卫星通信的出现、轨道卫星所占据的对地静止弧的日益拥塞和电视广播的干扰，造成干扰日益增多。干扰通常可能由人为过失(例如，天线未对准)或设备故障造成，但其也可能表示蓄意试图盗用带宽或拒绝为合法用户服务。为根除卫星干扰，有必要对造成干扰的地面站发射机进行地理定位。这种地理定位是众所周知的，且当前卫星星历误差是不准确度的重要(通常是最主要的)来源。在IEEETrans.onAerospaceandElectronicSystems(1982年3月,AES-18巻，第2期)中，PCChestnut描述了定位未知信号源的基本技术它包括确定信号副本(replica)从信号源沿两个独立信号路径传播到接收站的到达时间差(TDOA)和/或到达频率差(FDOA)。TDOA和FDOA在现有技术中也分别称为时差(DTO)和频差(DFO)或差分多普勒。在IEEETrans.onAcousticsSpeechandSignalProcessing(1981年6月，ASSP-29巻，第3期)上发表的"AlgorithmsforAmbiguityFunctionProcessing"—文中，SStein描述了根据两个接收的信号确定DTO和DFO。该技术包括用所接收信号相对于彼此的试验时移和频偏来计算它们之间的相关性。使该相关性最大化的时移和频偏是所需的DTO和DFO,受到对卫星中所引入的偏移的校正。根据DTO和DFO可以确定(地理定位)地球表面上的干扰发射机位置，如美国专利号5,008,679中所公开的。该专利公开了利用两个对地静止中继卫星使用TDOA(或DTO)和FDOA(或DFO)测量对目标发射才几的定4立。恒定(constant)TDOA或FDOA的点的所在地是与地球表面相交以定义被称为位置线(LOP)的曲线的一个表面。TDOA和FDOA的测量提供了在待确定的目标发射机的位置处交叉的两个LOP。美国专利号6,018，312(Haworth)公开了借助于卫星、使用相位相干参考信号进行误差校正的地理定位。美国专利号5,594,452(Webber等人)中公开了使用宽带方法的相关技术。美国专利号6,618，009(Griffm等人)涉及用时变DTO和DFO的地理定位。美国专利号6,677,893(Rideout等人)涉及用频率捷变干扰的地理定位。美国专利号6,018,312的相干参考技术减轻了星历误差的影响随着目标-参考分离被减小，这些影响被减少。不幸的是，即使使用相对接近目标发射机的参考发射机，星历误差仍然通常是地理定位结果中的主要不确定因素。现有技术的地理定位的精确度高度取决于在计算中使用的两个卫星星历的精确度。一般进行的卫星距离测量(rangingmeasurement)以及随后的星历计算仅精确到使得地面站能够追踪卫星。有时生成更详细的星历数据以使得卫星操作者能够计算操纵需求，但这些一般要花费24小时来计算而且当然并不会提供给网络用户。获取精确地理定位所必需的高精度星历并不常见，且星历误差经常是地理定位结果中不精确度的主要来源。
发明内容本发明的目的是提供一种用于确定卫星星历误差和/或补偿对因为卫星星历误差引起的地理定位测量中的误差的技术。本发明提供了一种补偿或校正卫星星历误差的方法，包括以下步骤a.确定与信号副本相关联的时间差和频率差的至少一个，该信号副本是经由不同卫星从已知位置的校准发射(calibrationtransmitting)装置接收的；和b.获得对应于卫星星历要素的估计并计算其变化，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。本发明根据其是与具有卫星星历误差的一个卫星还是两个卫星一起使用而补偿或校正卫星星历误差。本发明提供的优点是，其能够获得更精确的星历数据，尤其是(但不限于)对于使用导致未经许可使用卫星远程通信信道或信道内干扰的地基发射机的地理定位的情况而言。步骤a)可包括确定与信号副本相关联的频率差和时间差两者。所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，且优选为至少四个。步骤b)可包括迭代地使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计(subsequentestimatesoflikekind)。其可以包4舌/人乘禾口、[M]"[D]计算星历校正矢量[A],其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的测量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]"是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上有所减少。[M]的元素可通过最小均方拟合(leastmeansquaresfit)获得。最小均方拟合可基于奇异值分解。[D]和[M]的元素可^L情况与时间差和频率差中的测量误差的相关联的倒数成比例地加权。所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，优选为至少四个。该方法可用于在定位导致卫星干扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，确定星历补偿并把它应用到一个卫星的星历。该方法可以可选i也用来为主卫星(primarysatellite)和次卫星(secondarysatellite)两者补偿星历误差且所述校准发射装置可包括至少十个校准发射机。在可选方面，本发明提供了一种用于补偿或校正卫星星历误差的设备，包括a)用于确定与经由不同卫星从已知位置的校准发射装置接收的信8号副本相关联的时间差和频率差中至少一个的装置；和b)用于获得对应于卫星星历要素的估计并用于计算上述估计的变化的装置，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。用于确定时间差和频率差中至少一个的装置可被布置成确定与信号副本相关联的频率差和时间差两者。所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，优选为至少四个。用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置可被布置成迭代地使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计。用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置可被布置成从乘积[M]"[D]计算星历校正矢量[A]，其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的测量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]—1是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上有所减少。用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置可被布置成通过最小均方拟合来获得[M]的元素，该最小均方拟合本身可基于奇异值分解。用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置可被布置成视情况将[D]和[M]的元素与时间差和频率差中的测量误差的相关联的倒数成比例i也力口4又。该设备可用于补偿单个主卫星的星历误差，且所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，优选为至少四个。该设备可用来在定位导致卫星干扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置成确定星历补偿并将其应用到一个卫星的星历。该设备可用来为主卫星和次卫星两者补偿星历误差且所述校准发射装置可包括至少十个校准发射机。在另一方面，本发明提供了用于补偿或校正卫星星历误差的计算机软件，所述软件包括记录在适当载体介质上的程序代码指令，该程序代码指令用于控制计算机设备执行以下步骤a)确定与经由不同卫星从已知位置的校准发射装置接收的信号副本相关联的时间差和频率差中的至少一个；b)获得对应于卫星星历要素的估计并计算其变化，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。步骤a)可包括确定与信号副本相关联的频率差和时间差两者。所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，优选为至少四个。步骤b)可包括迭代地使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计。其可以包括从乘积[M]"[D]计算星历校正矢量[A]，其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的测量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]"是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上有所减少。[M]的元素可通过最小均方拟合获得。最小均方拟合可基于奇异值分解。[D]和[M]的元素可视情况与时间差和频率差中的测量误差的相关联的倒数成比例地加权。所述校准发射装置可包括至少两个校准发射机，优选为至少四个。该软件可用来在定位导致卫星千扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，确定星历补偿并把它应用到一个卫星的星历。该软件可以可选地用于为主卫星和次卫星两者补偿星历误差，且所述校准发射装置可包括至少十个校准发射机。为了更充分地理解本发明，现在将参考附图仅以示例说明其实施例，其中图1示出了现有技术的地理定位系统；图2示出了用来定义卫星星历参数的开普勒和笛卡尔坐标系；图3示意性地示出了本发明的地理定位系统；图4是本发明的迭代方法的步骤的流程图，其中校正的星历参数的连续组被用来产生更进一步的这种组；图5给出了用在图3系统中的监视器、参考和校准发射机的位置的例子；图6示出了在用于补偿单个卫星星历中误差的本发明的仿真中产生的地理定位的改进；10图7给出了在补偿两个卫星的星历误差中使用的监视器、参考和校准发射机的位置的例子；图8示出了从a)初始启动星历，b)真实卫星星历和c)根据本发明计算出的星历导出的图3中的主卫星的卫星地面轨迹；图9是图8的等效物，除了它被应用到次卫星以外。具体实施例方式图1示出了通常由10表示的现有技术的地理定位系统。它使用由相应的接收天线16和18监控的两个卫星12和14以找出导致对卫星通信造成干扰的未知发射机或目标20的位置。发射机20具有多瓣式发射辐射才莫式(radiationpattern),其中示出了主瓣22和两个旁瓣24。一个卫星12接收主瓣22中的辐射它被指定为主卫星而与其监控接收天线16相关联的处理电子电路(未示出)被指定为主信道。另一卫星14接收旁瓣24中的辐射它被指定为次卫星且在接收天线18处的相关联的处理电子电路被指定为次信道。主信道和次信道生成信号用于计算信号相关性,人而确定DTO和DFO。卫星12和14两者也接收来自已知位置的发射才几26的参考信号并将其中转到相应的天线16和18。如在美国专利号6,018,312中描述的，与目标发射机信号相干地检测该参考信号它允许移除系统偏差，诸如不精确知道的卫星星载本机振荡器的变换频率，并抵消那些本机振荡器中的相位不稳定性对相关过程的影响。为了本说明书的目的，方便的是偏离现有技术的实践并将DTO/DFO当作TDOA/FDOA的不同量。因而TDOA和FDOA在本文中如此定义TDOA=DTOT-DTOR且FDOA=DFOT-DFOR(1)其中DTOT和DFOT是目标的DTO和DFO,且DTOR和DFOR是在每种情况下测量的参考DTO和DFO,如美国专利N号6,018,312中描述的。因此，TDOA和FDOA分别是目标与参考DTO/DFO之间的差值的参考校正的等价物。这些TDOA和FDOA参数取决于卫星地点(position):通过在测量这些参数时获知卫星(即卫星的星历)的地点和速度及参考26的位置(location),可以确定目标发射机20的位置。为本发明的目的，采用如方程(1)中所定义的TDOA和FDOA参数是方便的但不是必要的。可以使用与这些参数相关的时间差和频率差值，只要一致地使用它们例如，如果方便的话则这种值可能在某种程度上与TDOA或FDOA偏离。在下面所述的本发明的例子中，TDOA和FDOA参数的估计值被拟合到测量等价物(measuredequivalent),且估计的相关差值可以类似地被拟合到测量等价物。当相关差值被用于星历确定或地理定位时，需要考虑与TDOA和FDOA的关系。星历的格式取决于使用何种坐标系。图2在(a)、(b)、(c)示出了三种坐标系。图2(a)示出了开普勒要素，其最常见地是指参考哪个位置描述轨道体从地球原点到空间中固定点的运动。然而，更简单的是，如图2(b)和2(c)所示，使用三维笛卡尔地点和速度矢量。这种类型的两种最常见参照系是地心惯性坐标系(ECI)和地心固定坐标系(ECF)。ECI坐标在地球质心处具有其原点，但沿着地球赤道平面与黄道平面的交叉(春分或春分点)具有固定的惯性方向。ECF坐标具有相同的原点，但被固定在地球中且其x轴穿过格林威治子午线(在零经度处)。与地球转动相一致，ECF坐标在空间中每恒星日旋转一次。本发明独立于所选取的坐标系，但是为本文中说明的实施例起见，星历将是笛卡尔-ECF格式的。现在参考图3，本发明的星历误差补偿或校正(EEC)技术基于如参考图1所述的用于测量TDOA和FDOA的双卫星地理定位方法，所述方法使用相干参考信号，如美国专利No.6,018,312。如前所述，目标发射机30将由箭头32表示的主瓣指向主卫星34,该主卫星34在35处将该主瓣中转给主截取天线36。此处，为减少图解复杂性，鉴于增加的发射机数目仅仅示出了发射机主瓣或主射束的方向，即省略了旁瓣。在已知位置处的参考发射机38提供了由点划线40表示的主射束，该主射束被指向主卫星34用于在41处中转到主监控天线36。还示出了四个星历校准器发射机(星历校准器)42a到42d(统称为42),其中的两个42a/42b提供了由相应线44a/44b表示的主射束，该主射束被指向主卫星34用于在45处中转到主截取天线36。另外两个星历校准器42c/42d提供了由相应线44c/44d表示的主射束，该主射束一皮指向次卫星46用于在47处中转到次监控天线48。主监控天线和次监控天线36和48可以处于不同的地理场所，但是在此示例中它们位于单个监监控场12所。顺便提及，为本发明的目的，星历校准器的主射束是否指向主卫星或次卫星是无关紧要的，因为这不会影响星历校正或补偿。星历校准器42和参考发射机38都具有精确已知的位置，例如，所述位置被确定到全球定位系统(GPS)的精确度或具有根据另一来源确定的绵度和经度。而且已经对它们进行测试以在经由主卫星和次卫星接收的信号副本之间给出良好的相关性，即根据美国专利号6,018,312的地理定位的基本特征。它们优选地在地理上良好分离然而，使用在不同场所的多个星历校准器不是必需的；也有可能使用一个这样的校准器并在不同时间进行测量，如下文所述。假设可以得到卫星星历的初始估计，其精确度将在稍后加以说明。对于每个星历校准器42,通过依次将他们中的每一个当作目标发射机、并使用参考图1所述且在美国专利号6,018，312中描述的方法，测量TDOA和FDOA位置参数。对于每个星历校准器42,然后基于它们的已知位置并使用主卫星34和从卫星46的地点和速度的先验星历估计(即，卫星星历)来计算TDOA和FDOA的期望值。然后获得TDOA和FDOA的测量值和计算值之间的差值，并计算卫星星历中的误差的估计。将首先概述本发明的方法并随后更详细对其加以说明。在合适的开始时间to处获得所述或每个卫星星历的星历参数(地点和速度矢量元素)的初始或起始组(将在下文进行描述)。随后对该组进行调节或"传播(propagate)，，以分别在每个TDOA和FDOA测量的对应时间处给出相应的星历参数组这是考虑到在不同时间进行测量或"采样"，且因为卫星随时间运动，所以测量时间对应于不同的卫星星历参数组。然后使用所传播的星历参数组来计算与TDOA和FDOA的相应测量值相对应的TDOA和FDOA的期望值。然后对星历参数的初始或起始组进行小改动，所述这些参数组像以前一样传播并被使用来计算TDOA和FDOA的新期望值。产生参数变化的"最佳拟合"，这使得所计算的TDOA和FDOA的新期望值与对应的测量值之间的差值最小化。如果需要星历有大变化，则以这种方式计算出的星历参数变化可能不充分倘若如此，则该变化可用于生成经校正的星历参数组以在迭代过程中用作进一步的起始组。在该过程的每次迭代中，根据在相应的直接在前的(immediatelypreceding)迭代中导出的经校正的星历参数组重复计算星历变化。迭代继续进行直至显著的变化停止出现或者达到了预定的迭代次数限制。现在将更详细说明本发明的例子。为本发明的初始示例的目的起见，假定仅主卫星34的星历有错误。用于一个卫星的星历(在称为"历元，，的给定时间点处)可以被表示为6xl元素的列矢量[S],其包含主卫星的笛卡尔-ECF地点矢量元素Jc，乂z和速度矢量元素D二此处在；丄；上的上标点表示关于时间的导数。如果初始主卫星星历估计或起始星历被表示为具有元素^到二的矢量[SS]，且[A]是将该起始星历转换为真实主卫星星历的更佳估计[S]所需要的具有元素a到a6的校正列矢量，其中[S]具有元素x,到；，贝'J:隱[A](1)或者可选地，如果完整写出则是广x、、)&"4夕s少ssa5、5"、％(2)本发明的EEC技术确定(至少作为初始步骤)星历校正矢量[A]的各元素a!到a6。在本发明的此实施例中，通过N个时间分离的测量样本在多个地理上分布的星历校准器42上执行TDOA和FDOA的测量，每个星历校准器42均在已知位置。每个样本是对单个星历校准器的TDOA和FDOA两者的测量。这种N个样本的集合构成了执行EEC所需的测量活动。一般在许多测量循环中获得(为方便起见)这些样本，依次进行的每个循环包含每个星历校准器42的一个样本。因而总的样本数由星历校准器42的数目，(在图3中为4个)，乘以循环数得出。14本发明不限于此实施例的TDOA和FDOA的测量。测量可以是来自不同星历校准器的同时测量和来自同一或其它星历校准器的时间分离测量的组合。通过使用多个采集通道或在大得足以涵盖多个星历校准器的带宽上采样，可得到同时测量。在此实施例中，所有样本都是在不同的时间测量的(尽管这不是必要的)。在时间tn处测量第n个样本(n=l到N):对于每个样本，根据主卫星36和次卫星48的初始启动星历、和参考发射机38、主截取天线36和次截取天线48、以及与第n个样本相关联的星历校准器42的位置，计算相关联的期望值〈77XX化和〈FZ)04〉"。该计算如下进行。卫星的初始起始星历是公众可得到的(如稍后说明的)。由于卫星的运动，星历随时间改变，^旦在开始时间to具有初始启动星历，对于任何其它时间可以才艮据卫星轨道动力学计算出星历。因此对于主卫星36和次卫星48,为每个样本测量时间tt到tN计算出相应的星历参数组。使用这些计算的星历参数，为每个样本时间tn(n=l到N)计算期望的TDOA/FDOA值〈7DO^和。通过使用参考图3所述的测量技术，在每个时间ti到tn处获得测量的TD0A/FD0A值7DO^和i^DO4"。对于从1到N的所有n的期望或计算值〈7DO^和〈FD04〉J皮表示为矢量并随后从测量值7!XM"和FD04"的矢量中减去以给出由下式给定的差值的列矢量[D]:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(3)其中A表示紧随其后的圆括号中的量nx^到FD04w是差值。本发明的EEC技术旨在计算初始卫星星历中的要素的改变，这使得[D]矢量尽可能接近所有元素等于零的零矢量。为导出方程(2)中的[A]从而使得通过[A]校正[SS]给出与测得的位置参数精确匹配的期望位置参数，在此示例中的方法是使用[SS]中的星历要素的小变化并确定它们对TDOA和FDOA的预测值的影响。这是通过计算相应星历要素x,乂；x，少和z的改变ax:,&,&,5jc,3;;和而寺丸4亍的。和前面一样，此处的上标点表示关于时间的导数。在时间tn(r^1到N)处为每个样本分別计算与引入&到3;相关联的〈H)04〉n和〈FD04〉n的期望值的变化。对于〈roo4〉的N个值中的每一个这给出了,D04(U形式的六个变化，对于〈FD04〉的N个值中的每一个这给出了^D"(。形式的六个变化，其中k是:c,乂z丄)或；。使用导致TDOA和FDOA的估计值是对TDOA和FDOA的测量值的最佳拟合的拟合过程，得出该变化。它们被用作偏微分的2Nx6元素矩阵[M]的相应元素。[M]与方程(3)中的差分矩阵[D]有关且通过下式所需的星历要素改变了方程(1)和(2)中的列矢量[A](4)或完整地通过:7DQ^、簡A，。2。3a4炎J(5)来自参考发射机38和星历校准器42的通信信号的功率不同每个样本的测量的TDOA和FDOA参数中的不确定性与功率有关，因此会有所不同。对方程(5)加权以通过如下所示使用不确定性的倒数来反映16<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>星的星历变化，该变化抵消了由于两个卫星的星历误差造成的地理定位误差。严格地说，与星历误差本身的校正相对，这是减少地理定位误差的星历补偿。因此，尽管没有获得两个卫星的经校正的星历，但是通过此技术通常获得导致卫星干扰的地基发射机的极大改善的地理定位精确度，这是依据其自身能力的重要结果。本发明可用来在三种情形下使用两个卫星来改善地理定位性能在其它卫星星历精确的情况下的单个卫星星历校正，在其它卫星星历不精确的情况下的单个卫星星历校正(即星历补偿)，和两个卫星星历校正。为校正两个卫星34和46的星历误差，有可能扩展方程式(5)以便能一起计算这些误差。这允许确定两个卫星的星历。对于两个卫星星历中的误差扩展方程式(6)给出下式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>(8)其中主卫星34和次卫星46的星历要素中的小变化分别由(&,&,&";，3;,3))及才示以4敞号(primed)的等步支量(Sr3x,3y,3z')表示。同样，待计算的对主卫星34和次卫星46的星历要素的校正分别由(ai到a6)和(a!'到a6)表示。如果如结合方程式(5)和(6)所述的在方程式(8)中包括权值，则1<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>与稍早所述的单个卫星的等效方程式相比，方程式(9)更有可能反映两个卫星34和46的真实动态，但其在校准活动中使用更多数量(N)的星历校准器和样本，因为现在有更多参数待确定。现在参考图4，示出了上面所述的计算机实施的程序的流程图。在60处，定义迭代次数p并将其初始设为1,且然后在62处从起始星历维持阶段64读取星历参数的一个起始组("起始星历，，)、或星历参数的两个起始组(如果要校正两个卫星的星历)。为方便起见，应根据具体情境将此实施例中的表述"起始星历"视为包括一组或两组星历参数。阶段64具有在开始时间to处为第一当前起始星历的初始起始星历，且偶尔(fromtimetotime)迭4戈地更新每个当前起始星历以形成下一个当前起始星历，如稍后所述。在66处，对于时间to的起始星历被转换为时间tn处样本n(n=l到N)的相应起始星历且得到的星历被用作计算所有样本(n=l到N)的期望TDOA/FDOA值〈7DO^和〈FZ)a^的基础。如前所述，这个计算是用于单个卫星星历校正情况的。在68处，从使用参考图3所述的技术在时间tn处测量的相应TDOA/FDOA值中减去在时间tn处的估计〈7D04〉n和〈FDO^。然后应用具有不确定性的倒数的加权以给出方程式(6)的左手侧。在70处定义星历要素迭代次数q并将其初始设定为1。在72处，对第q个星历参数作了小变化3戸ra，其中戶ra/^对一个卫星而言是&,&,&，^，3)或3;,且对两个卫星而言是&,*,&,3;,3)或3;以及带撇号的等效量(&'，^',"'，"')。对于这些参数中的第一个，即x,q=l且小变化为&。然后在74处对于所有N个样本计算小变化3戸m^对〈TD04〉和〈尸D04〉的影响；即对于所有n-l到N计算微分^^L和丰細〉"。目的是找出一组^"ra州。值，其改变了〈ro04〉和〈FD04〉以使得它们分别尽可能等于在时间tn处TD0An和FDOAn的测量值，从而使得差值矢量[D]尽可能小。此数学过程是众所周知的且将不再加以说明其为出自W.H.Press,B.P.Flannery,S.A.Teukolsky和W.T.Vetterling于1988年由剑桥大学出版社出版的"NumericalRecipesinC-TheArtofScientificComputing"中第14章528页的最小均方拟合(使用例如奇异值分解)。用于此拟合的数据被合并在包括TDOA和FDOA的测量值和估计值之间差值的矢量[D]中。由在每个采样时间tn处估算出的6或12个星历参数偏微分给出的模型被拟合。获得当前起始星历参数的变化的最优组合，(在最小均方意义上)使TDOA和FDOA的估计值和测量值之间的差值最小化。然后对该差分加权，如在方程式(6)(—个卫星)或方程式(9)(两个卫星)中所示，然后在76从使用得到的值来构成矩阵[M]的第q列。现在在78处进行星历要素迭代计数，其中(l)表示考虑一个卫星星历且(2)表示考虑两个卫星星历。对于一个卫星，[M]具有六列且q从1到6;对于两个卫星，[M]具有十二列且q从1到12。对于一个卫星的情况，如果q<6,或对于两个卫星的情况，如果q<12,则序列72到78通过循环80迭代，其中对于每次迭代，在82处将星历要素迭代次数q加l。如果q-6(—个卫星)或12(两个卫星)，处理转到阶段84。在84处，计算加权矩阵[M]的摩尔-彭罗斯逆[M]-1，并如在方程式(7)中那样将其乘以[D]以获得星历校正矢量[A]。[A]被传递到起始星历维持阶段64,其中更新或校正当前起始星历以根据方程式(1)和(2)将其转换为真实主卫星星历的更佳估计。然后可在阶段62中读取该更佳估计以在随后的迭代中使用(如果有迭代的话)。在86处，进行测试以观察起始星历是否已收敛，这方面的准则是直接在最近更新之前的当前起始星历和经更新的等效物(equivalent)仅在不显著的程度上有所不同。如果满足了该准则，处理在88处结束；如果不满足，则有第二结束点准则，即迭代次数p等于预定的限制pmax。如果这些准则都不满足，迭代通过循环92继续，迭代次数p在94处增加1,且处理返回到读取起始星历阶段62:在62处，从64读取最近更新或校正的起始星历版本并且迭代从阶段66起向前的步骤。可选的准则为TDOA和FDOA中的残余误差已减少到可接受的水平，例如，小于测量误差。为了检查与地理定位精确度有关的本发明的有效性，进行了仿真。为了仿真的目的，使用已被定义为"真实"星历的卫星星历来仿真许多循环的星历校准器数据(TDOA和FDOA参数)。正如已经说过的，一个循环的数据指依次对于每个星历校准器42的相应TDOA测量和相应FDOA测量(仿真的或实际的)。仿真的测量包括实际高斯误差。然后使用与定义的真实星历有误差的初始起始星历作为卫星轨道动态的先验估计。图5是示出用于仿真的被描绘为图标的地理发射机位置的欧洲、北美、北非和中东的地图。其示出了在挪威奥斯陆、靠近南部俄罗斯的Urozhaynoye的位置、以色列Rehevot和葡萄牙里斯本的四个星历4交准器(EphemCall到4),在土耳其布尔萨的参考发射机(参考)，靠近奥地利的沃格尔的目标发射机(目标)，和在英格兰Defford的具有两个截取天线(未示出)的监控站(监视器)。校准活动包括仿真来自图5中所示的四个星历校准器的样本。对三个测量循环进行仿真，这三个测量循环的相应起始时间间隔为1分钟。为了进行仿真的目的，为方便起见假设任何给定循环内的每个测量同时发生，因为计算不同测量时间的星历不会增添什么。然后使用前面所述的本发明的单卫星EEC技术校正初始起始星历中的误差，以给出对主卫星的星历的校正。为确定本发明对地理定位精确度的影响，也基于定义的真实星历来仿真来自在图5中所示地点处目标的样本传送的TDOA和FDOA。把目标发射机的该样本仿真为在校准活动结束后一分钟进行采样。对目标地点的两个地面地点进行估计，其中一个使用初始起始卫星星历导出而另一个基于经校正的主星历(以及初始起始次星历)。在图6中示出了这些位置估计。根据初始起始卫星星历计算第一定位椭圆100:其长度大约为990km且表现出95%的置信水平，即目标位于其中的概率为95%。定位椭圆100的计算考虑了星历误差。使用经校正的星历计算第二定位椭圆102:其长度仅为25km(大约四十倍的改进)，因为已消除了几乎所有的星历误差，仅留下了TDOA/FDOA测量误差。也很重要的是应注意到第一椭圓100决不是最坏的情况。初始起始卫星星历可以是误差大到地球表面上没有定位椭圆。在这些情况中，借助于本发明获得的地理定位精确度的增益明显大于图6所示的，但在缺乏对照椭圆的情况下不能量化该增益。定位椭圆100和102可以才艮据由于星历误差以及TDOA和FDOA测量误差造成的TDOA和FDOA误差计算得出，并通过平方和的平方根来组合二者。在本发明的该例子中，定位椭圆是基于该组合误差表示95%置信限度的边界。在本方面的又一实施例中，同时计算两个卫星的星历。图7示出了用于此实施例的卫星地面站的位置如前面参考图5所述的定位监视器、参考和目标发射机及星历校准器EphemCal1到4。因为涉及两个卫星的星历，采用在下表1中给出的位置处的附加的六个星历校准器EphemCal5到EphemCal10。将五个星历校准器EphemCal1到5指向图3中的主卫星34，且将其它五个星历校准器EphemCal6到10指向次卫星46(不过哪个卫星被指定为主哪个被指定为次并不重要)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>仿真由具有间隔开5分钟的相应起始时间的72个循环(即跨度6小时)组成。然后使用上面的参考图4描述的双卫星EEC技术校正初始起始星历中的误差，来给出真实星历的估计。为解出具有12个未知量(2x6星历要素)的数学问题，在理论上应该需要最少12个测量，例如，六个FDOA和六个TDOA测量。可能佳_用N个空间上分离的EhemCal及(12-N)个时间上分离的测量来进行这些测量，其中N是在1到12范围内的任何整数即可以使用空间上和时间上分离的测量的任何组合，该组合包括全部使用任一种而不使用另一种。然而，结果受到情形、噪音和初始或起始星历的可靠性的影响。此处"情形，，意为卫星地点和速度，相关发射机和接收器的地理位置，和通过参考图1所述的技术中的主卫星和次卫星接收的信号副本之间的相关性的强度。因此在实际情况中，可能需要更多测量，例如四个或五个EpemCal的若干循环而且，使用更多循环使得结果受更多约束且更加稳健。现参考图8,示出了主卫星(传播超过四天)的卫星地面轨迹110a、110b(虛线)和110c(实线)，所述轨迹源于a)初始起始星历(即，先验或预校正)，b)真实的卫星星历和c)按照本发明根据初始起始星历计算出的星历。地面轨迹是一段时间内在卫星正下方的地球表面上的一系列点。轨迹110b(真实的)和110c(计算的)几乎是一致的，表示根据本发明校正的星历给出了对真实卫星星历的良好估计。由于在这两种情况下接近相同的卫星轨道动态，这些真实的和计算的轨迹难以分辨。轨道110a的初始起始(先验)卫星星历被认为是最坏的情形，其中可以得到的关于卫星轨道动态的数据仅有标称经度以及轨道是(近似于)对地静止的事实。这些数据被用来计算在特定历元处的笛卡尔-ECF星历。至少该基本信息不可用是不可能的相当精确的起始星历可以从北美防空司令部(NORAD)的综合网站列表(见例如www.celestmk.com)中找到，该列表提供一种称为"双线要素"的星历类型。现在参考图9,它与图8对等，除了它应用到次卫星以外。其示出了卫星地面轨迹120a、120b(虚线)和120c(实线)，所述4九迹源于a)初始起始(先验或预校正)星历，b)真实的卫星星历和c)根据本发明计算出的星历。再者，在此处，轨迹120b(真实的)和120c(计算的)几乎是一致的，表示计算出的星历是对真实卫星星历的良好估计。下表2列出了初始起始(先验)星历要素、根据本发明计算出的星23历要素和真实星历要素。还示出了进行了数据仿真的计算的星历要素和真实星历要素之间的绝对差值。在星历要素X中，差值小于百万分之一。根据本发明计算的星历要素的误差在任一地点坐标中小于200m且在地点坐标的合成中小于230mrms(均方根)。而且，速度误差不超过0.04m/s:这些误差是对于在地球表面以上大约35,800km的轨道高度处(从地球中心到对地同步轨道为42,164km)的卫星而言的。卫星速度高达3m/s(在ECF坐标系中或在ECI坐标系中高达3km/s)。真实的和计算的星历之间的差值地点矢量在传播星历的24小时期间对于主卫星和次卫星二者具有绝不超过600m的幅度并且在随后的48小时期间保持小于900m。这些值代表在多次测量活动中获得的那些结果。表2历元地点(m)速度(ra/s)xyzi>S主先验、值2D03年2月lil日41849883.1025138519.520-10U3.9010.0000,000>0.42500:00:00.00主i十算值2003年2月18日41867976.0285129386.4059531.830,141-2.3361.35000:00:00.00主真值2003年2月18H41867949.1975129580.5919426.557CU40-2.3351.36OO:OO:陽O差值26.831-194.186105.2730.001-0.000.034(计算值-真值)_次先乾Ht2003年2月18日415235败朋97321730.997-10422,3410.0000.000-0,38600:00:00.00次计算值2。。3年2月t8日41539803.0457335741.122-1443U240.267-2.52&0,14100:00:00.00次真值2UU3年2月1S日7335928.288"4536.S980.266-2.5270.175O謹:OO.OO差值34.414-187.166105.6740,001'0.001-0.034(计算值-真值)在本发明的EEC技术中，EphemCal站的物理数目没有EphemCal测量数目那么重要。只使用一个EpemCal站就可以执行EEC,且在例如6小时内每IO分钟进行采样以给出36个TDOA和FDOA测量。这不是理想情况，但其仍可以在足够好的测量环境中给出可用的星历参数结果。使用超过一个EphemCal站与使用一个这种站相比很可能改进结果。而且，如果使用非常精确的初始或起始星历，那么本发明的EEC技术不太可能收敛失败或收敛于不正确的解。不正确的解可由获得的位于期望的误差界限之外的TDOA和/或FDOA残差指示。而且，使用非常精确的起始星历，可能仅需要几个测量就能收敛其反过来也为真。如前面所述，在上述的本发明的示例中，每个EphemCal测量给出了两个测量的量，TDOA和FDOA:因此，为了解星历中的六个或十二个未知量，分别需要最少三个或六个EphemCal测量，即组合的测量的量的数目应该至少等于未知量的数目。然而，在实践中，在不利的测量条件下这可能是不够的。而且，间隔一分钟进行的单个EphemCal的三次测量很有可能不及来自三个不同的地理上分离的EphemCal的三个测量那样有效，或不及来自具有大得多的测量时间间隔(例如两小时)的一个EhemCal的三次测量那样有效。如果EhemCal测量在空间和时间尺度中的至少一个上良好分离，则结果趋于有所改进。经验表明，在短时间内使用四个或更多个地理上良好分离的EphemCal站可以达到相当好的结果，但是四个并不是最小值。已经使用TDOA和FDOA的组合已执行本发明的仿真。获得了如下结果a)星历误差补偿(即单个卫星校正)每个测量组隔开5分钟的两个星历校准器上的TDOA和FDOA的72个测量组(即总共6小时)，对于lCT7s的TDOA测量误差以及l(T3Hz的FDOA测量误差给出了56m的均方才艮地点误差和4xl(r3m/s的均方才艮速度误差。b)星历误差校正(即两个卫星校正)每个测量组隔开IO分钟的四个星历才交准器上的TDOA和FDOA的72个测量组(即总共12小时)，对于l(T7s的TDOA测量误差以及l(T3Hz的FDOA测量误差给出了大约700m的均方根地点误差和大约0.50m/s的均方纟艮速度误差。仅使用一种类型的测量数据，即要么是TDOA数据或者是FDOA数据，但不是两者，也为一个卫星补偿和两个卫星校正执行了本发明的仿真目的是确定这两种可选方法的可行性。除情形之外，使用仅TDOA和仅FDOA数据的这些补偿和校正功能的性能取决于许多因素，数据精确度，校准器或EphemCal站的数目及测量数目。使用仅TDOA和仅FDOA数据执行一个卫星补偿仿真，且结果分别示于下面的表3A和3B中。在这里以及随后的表中，"N—Sites"表示校准器或EphemCal站的数目，"Inc—min，，表示连续测量之间的分钟数，"N一count，，表示测量数目而无收敛表示不可能执行补偿。表3A:使用仅TDOA数据的补偿TDOA误差为10-7秒，FDOA误差为lHz,lncmin=5,Ncount=72N—Sites均方根地点误差(米)均方根速度误差(米/秒)1不收敛不收敛22960.0078231330.013741900.01675250.012964410.04473430.034685240.051296000.0593106350細626表3B:使用仅FDOA数据的补偿TDOA误差为1Q-2秒，FD0A误差为10-3Hz,lncmin=5,Ncount=72ISites均方根地点误差(米)均方根速度误差(米/秒)1大大21090007.97338700.282415000.11514600.10766810.04967250.052989560.0697910800細91011400,0829如在左手列中所示，使用从1到IO个校准器(N—Sites=l到10)获得表3A和3B中的数据。表中示出单一类型的测量(即TDOA或FDOA而不是两者)可用于一个卫星补偿。误差是"实际，，值，即在当前实践中经历的这种类别的误差值。使用非常精确的"仅TDOA，，数据执行两个卫星校正仿真且结果示于表4中。<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>表4示出如果仅使用一个或两个校准器，即使使用非常精确的仅TDOA测量(误差=10—12s),rms(均方根)地点误差仍然很大三个和优选为四个校准器是理想的。如果使用三个校准器，则地点误差可能很高，但是速度误差是可接受的。如果使用四个校准器，则与三个校准器的对等误差相比，地点误差和速度误差减小超过两个量级。添加第五个校准器产生很小差异。使实际精确度的"仅TDOA"数据(误差=10人)执行两个卫星校正仿真且结果示于表5中。表5Incmin=20，Ncount=72,TDOA误差=10—7秒，FDOA误差4HzISites均方根地点误差(米)均方根速度误差(米/秒)1028,1000.735利用十个校准器用实际精确度的仅TDOA测量，获得表5中的仿真数据，并导致高的地点误差和速度误差。因此，如果十个校准器被认为是想要使用的数目，则表5表明使用实际精确度的仅TDOA测量将无法获得在合理的误差界限内的校正。使用非常精确的"仅FDOA"数据执行两个卫星校正仿真且结果示于表6中。表6<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>表6示出采用高精确度的仅FDOA测量，使用四个或更多个校准器获得具有相当低误差的星历校正。使用实际精确度的"仅FDOA，，数据执行两个卫星校正仿真且结果示于表7中。表7<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>表7示出采用实际精确度的仅FDOA测量，使用十个或更多个校准器获得具有相当低误差的星历校正。表3到7中的数据表明，假如测量精确度和校准器数目足够，利用当前可用4支术，通过^f又使用TFOA或FDOA测量，而不是前面所述的TDOA和FDOA两者，校正或补偿卫星星历误差是可行的。通过适当的计算机软件可以明确地评估在前述描述中给出的方程式，所述计算机软件包括记录在适当的载体介质上并在常规计算机系统上运行的程序代码指令。所述载体介质可以是商业产品诸如存储器、磁带、软盘或压缩盘或光盘，或其它硬件记录介质；其可选地可以是电信号或光信号。根据前述描述，这种软件对于熟练的程序员而言是能够直接实施的，而不需要创造性劳动，因为其涉及众所周知的计算程序。权利要求1.一种补偿或校正卫星星历误差的方法，其包括以下步骤a)确定与经由不同卫星从已知位置的校准发射装置接收的信号副本相关联的时间差和频率差中的至少一个；和b)获得对应于卫星星历要素的估计并计算其变化，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。2.如权利要求l所述的方法，其中步骤a)包括确定与所述信号副本相关联的频率差和时间差两者。3.如权利要求l所述的方法，用于补偿星历误差，其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。4.如权利要求3所述的方法，用于校正卫星星历误差，其中该至少两个4交准发射机包括至少四个4交准发射才几。5.如权利要求l所述的方法，其中步骤b)包括迭代地使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计。6.如权利要求1所述的方法，其包括以下步骤从乘积[M]-][D]计算星历校正矢量[A],其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的测量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]"是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上减小。7.如权利要求6所述的方法，其中通过最小均方拟合获得[M]的元素。8.如权利要求7所述的方法，其中最小均方拟合基于奇异值分解。9.如;f又利要求7所述的方法，其中[D]和[M]的元素一见情况与时间差和频率差中的测量误差的相关联的倒数成比例地加权。10.如权利要求l所述的方法，用于补偿单个主卫星的星历误差，<其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。11.如权利要求IO所述的方法，用于补偿单个卫星的星历误差，其12.如权利要求1所述的方法，用于在定位导致卫星干扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，其中确定星历补偿并将其应用到一个卫星的星历。13.如权利要求l所述的方法，用于补偿主卫星和次卫星两者的星历误差，其中所述校准发射装置包括至少十个校准发射机。14.一种用于补偿或校正卫星星历误差的设备，包括a)用于确定与经由不同卫星从已知位置的校准发射装置接收的信号副本相关联的时间差和频率差中的至少一个的装置；和b)用于获得对应于卫星星历要素的估计并计算这种估计的变化的装置，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。15.如权利要求14所述的设备，其中用于确定时间差和频率差中至少一个的装置被布置成确定与所述信号副本相关联的频率差和时间差两者。16.如权利要求14所述的设备，用于补偿星历误差，其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。17.如权利要求16所述的设备，用于校正卫星星历误差，其中所述至少两个校准发射才几包括至少四个4交准发射才几。18.如权利要求14所述的设备，其中用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置成迭代使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计。19.如权利要求14所述的设备，其中用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置成从乘积[M]-1[D]计算星历校正矢量[A],其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的溯'J量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]"是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上减小。20.如权利要求19所述的设备，其中用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置为通过最小均方拟合获得[M]的元素。21.如权利要求20所述的设备，其中最小均方拟合基于奇异值分解。22.如权利要求20所述的设备，其中用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置成视情况将[D]和[M]的元素与时间差和频率差中的测量误差的相关联的倒数成比例地加权。23.如权利要求14所述的设备，用于补偿单个主卫星的星历误差，其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。24.如权利要求23所述的设备，用于补偿单个卫星的星历误差，其25.如权利要求14所述的设备，用于在定位导致卫星干扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，其中用于获得对应于卫星星历要素的估计的装置被布置成确定星历补偿并将其应用到一个卫星的星历。26.如权利要求14所述的设备，用于补偿主卫星和次卫星两者的星历误差，其中所述校准发射装置包括至少十个校准发射机。27.计算机软件，用于补偿或校正卫星星历误差，该计算机软件包括记录在适当的载体介质上的程序代码指令，所述程序代码指令用于控制计算机设备执行以下步骤a)确定与经由不同卫星从已知位置的校准发射装置接收的信号副本相关^:的时间差和频率差中的至少一个；和b)获得对应于卫星星历要素的估计并计算其变化，该变化造成时间差和频率差估计中的至少一个与对应的测量的时间差和/或频率差更一致。28.如权利要求27所述的计算机软件，其中步骤a)包括确定与所述信号副本相关联的频率差和时间差两者。29.如权利要求27所述的计算机软件，用于补偿星历误差，其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。30.如权利要求29所述的计算机软件，用于校正卫星星历误差，其31.如权利要求27所述的计算机软件，其中步骤b)包括迭代使用对应于卫星星历要素的估计以获得同类的后续估计。32.如权利要求27所述的计算机软件，用于控制计算机设备执行从乘积[M]"[D]计算星历校正矢量[A]的进一步的步骤，其中[D]是具有元素为对于一组测量/估计时间的时间差和频率差的测量值和估计值之间的差值的矢量，且[M]"是矩阵[M]的逆矩阵，所述矩阵[M]的元素为对于该组测量/估计时间的估计的卫星星历要素的变化，相比于与所述变化之前的估计的卫星星历要素相关联的[D]值该变化导致[D]在幅度上减小。33.如权利要求32所述计算机软件，其具有用于通过最小均方拟合获得[M]的元素的指令。34.如权利要求33所述的计算机软件，其具有用于获得基于奇异值分解的最小均方拟合的指令。35.如权利要求33所述的计算机软件，其具有用于视情况将[D]和[M]的元素与时间差和频率差中的测量误差的相关写关的倒数成比例地加权的指令。36.如权利要求27所述的计算机软件，用于补偿单个卫星的星历误差，其中所述校准发射装置包括至少两个校准发射机。37.如权利要求36所述的计算机软件，用于补偿单个主卫星的星历38.如权利要求27所述的计算机软件，用于在定位导致卫星干扰的发射机的过程中补偿两个卫星的星历误差，该软件具有用于确定星历补偿并将其应用到一个卫星的星历的指令。39.如权利要求27所述的计算机软件，用于补偿主卫星和次卫星两者的星历误差，其中所述校准发射装置包括至少十个校准发射机。全文摘要一种补偿或校正卫星星历误差的方法，包括测量经由两个卫星(34，46)从位于不同地理位置的校准发射机(42a到42d)接收的信号副本的到达时间差(TDOA)和到达频率差(FDOA)。由地点和速度矢量构成的初始卫星星历用来计算星历变化，该星历变化产生了提供对TDOA和FDOA测量值的最佳拟合的TDOA和FDOA估计值。这提供了补偿或校正初始卫星星历中的误差所需的估计的变化。该方法可被迭代以处理大的星历变化即在一次迭代中获得的变化可用来校正在之后迭代中作为新的初始星历使用的星历。该方法可用来校正在一个或两个卫星中的星历误差，如果这样的话，则可以使用更多的校准发射机EphemCal1到10。文档编号G01S5/06GK101460862SQ200780020206公开日2009年6月17日申请日期2007年3月22日优先权日2006年3月31日发明者D·P·哈沃思,R·M·赖德欧特,S·R·杜克申请人:秦内蒂克有限公司