专利名称：地理位置调节点波束交叠的制作方法
技术领域：
本公开涉及使用点波束交叠用于地理位置调节。具体地，本公开涉及使用点波束获得精确定位，其維持用于时间变换的足够高准确性。
背景技术：
发明内容
本公开涉及使用点波束交叠用于地理位置调节的系统、仪器和方法。在一个或更多实施例中，使用点波束交叠用于地理位置调节的方法涉及提供用户接收器装置的位置的估计。该方法包含至少ー个运载工具发出至少ー个点波束到地球，以及使用用户接收器装置从至少一个点波束接收信号。该方法进ー步包含使用用户接收器装置根据用户接收器装置在至少ー个点波束内的位置计算用户接收器装置的位置的估计。
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在一个或更多实施例中，该方法进ー步包括计算从至少ー个运载工具到地球表面的范围。在一些实施例中，该方法进ー步包含计算从至少ー个运载工具到用户接收器装置的范围。在至少ー个实施例中，计算从至少ー个运载工具到用户接收器装置的范围涉及测量至少ー个运载工具的多普勒频率偏移，使用卡尔曼滤波器计算多普勒范围估计和/或伪距测量，以及计算至少一个运载工具到用户接收器装置的范围的运行估计。在本公开的ー些实施例中，使用点波束交叠用于地理位置调节的方法提供了地理位置算法的准确性的改进。在一个或更多实施例中，用户接收器装置位于衰减环境、阻塞环境或者封闭环境中。在至少ー个实施例中，封闭环境是在室内。在一些实施例中，使用点波束交叠用于地理位置调节的方法进ー步涉及使用来自至少ー个运载工具的信噪比(SNR)测量来进ー步细化/精化(refine)用户接收器装置的位置的估计。在一个或更多实施例中，本公开的至少ー个运载工具是卫星、伪卫星、航天飞机、飞行器、飞船和/或直升机。在可替换实施例中，可以采用各种其他类型的运载工具用于本公开的至少ー个运载工具。在一些实施例中，可以使用的飞行器类型包括但不限于飞机和/或无人机(UAV)。在至少ー个实施例中，本公开可以采用的卫星类型包括但不限于低轨道地球(LEO)卫星、中轨道地球(MEO)卫星和/或对地静止軌道(GEO)卫星。在一些实施例中，至少ー些运载工具具有已知的轨道和/或已知的路径。在一个或更多实施例中，用户接收器装置是可移动的和/或固定的。在一些实施例中，该方法涉及至少ー个运载工具使用至少ー个射频(RF)天线发射至少ー个点波束。在至少ー个实施例中，至少ー个点波束作为固定位置波束从至少ー个RF天线放射。在其他实施例中，至少ー个点波束作为扫描波束从至少ー个RF天线放射。在一些实施例中，用户接收器装置使用至少ー个RF天线从至少ー个点波束接收信号。在一个或更多实施例中，用户接收器装置使用处理器计算用户接收器装置的位置的估计。在一些实施例中，当用户接收器装置只从ー个点波束接收信号时，用户接收器装置计算用户接收器装置的位置的估计为位于该点波束的交集的中心。在至少ー个实施例中，当用户接收器装置从至少两个点波束接收信号时，用户接收器装置计算用户接收器装置的位置的估计为位于至少两个点波束的交集的中心。在其他实施例中，当用户接收器装置从至少两个点波束接收信号时，用户接收器装置计算用户接收器装置的位置的估计为位于至少两个点波束的中心的重心。在一些实施例中，本公开的用户接收器装置将点波束方位记录为从点波束上升(tEISE)的时间到点波束下降(tSET)的时间。在一个或更多实施例中，当遮蔽角在全部方向相对于用户接收器装置是均匀的情况下，假设在时间=((tSET_tKISE)/2)，用户接收器装置位于在轨(in-track direction)方向的点波束的中心。可替换地，当遮蔽角在点波束上升方向和点波束下降方向上是不均匀的情况下，假设在时间=((AtftJ/2)，其中(Atftue)/2=
(^ ^ReVerMeasured"^" ^ ^ 0 Bias
)/2,用户接收器装置位于在轨(in-track direction)方向的点波束
的中心。在一个或更多实施例中，用户接收器装置使用接收的至少ー个点波束的振幅计算用户接收器装置的位置的估计。在一个或更多实施例中，用户接收器装置对随时间的推移而计算的用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均，以进ー步细化用户接收器装置的位置的估计。在一些实施例中，用户接收器装置使用卡尔曼滤波器对用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均。在可替换实施例中，用户接收器装置使用匹配滤波器对用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均。在一个或更多实施例中，用户接收器的位置的估计由全球定位系统(GPS)使用以有助于快速获得GPS信号。在一个或更多实施例中，使用点束交叠用于地理位置调节的系统涉及提供用户接收器装置的位置的估计。该系统包含至少ー个运载工具和用户接收器装置。在一些实施例中，至少ー个运载工具发射至少ー个点波束到地球上。在至少ー个实施例中，用户接收器装置包括至少ー个RF天线和处理器。在一个或更多实施例中，至少ー个RF天线接收至少ー个点波束。在一些实施例中，处理器根据用户接收器装置在至少ー个点波束内的位置计算用户接收器装置的位置的估计。在一些实施例中，用户接收器装置进ー步包括本地时钟和存储器。存储器适于存储随时间的推移而记录的相继的点波束识别信息。而且，用户接收器装置的处理器能够计算至少一个运载工具的多普勒频率偏移。在至少ー个实施例中，用户接收器装置进ー步包括内部轨道模型。在一些实施例中，用户接收器装置经由来自至少一个运载工具的传输接收轨道数据信息。在其他实施例中，用户接收器装置经由来自至少一个运载工具和/或来自基于地球的网络的传输接收轨道A形修正信息。在本公开的至少ー个实施例中，基于地球的网络是蜂窝网络。
可參照下列说明、所附权利要求和附图更好地理解本公开的这些及其他特征、方面和优点，在附图中图IA图示根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，单个卫星的交叠的多个点波束的使用。图IB图示根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，单个卫星的交叠的多个点波束与蜂窝网络的使用。图2示出根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，单个卫星的交叠的多个点波束随时间推移的使用。图3示出根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，两个卫星的交叠的多个点波束的使用。图4显示根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，随着时间扫描的单个卫星的交叠的多个点波束的使用。图5示出根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，用户接收器装置接收的单个卫星的信号振幅的使用。图6显示根据本公开的至少ー个实施例为了获得用户接收器装置的位置的估计，用户接收器装置接收的两个卫星的信号振幅的使用。 图7图示根据本公开的至少ー个实施例随着时间单个卫星扫描的点波束的信号振幅的使用。图8是根据本公开的至少ー个实施例针对均匀遮蔽角使用单个卫星的点波束的上升和下降时间估计用户接收器装置的位置的图示。图9A显示根据本公开的至少ー个实施例针对不均匀遮蔽角使用单个点波束上升和下降时间估计用户接收器装置的位置的图示。图9B显示根据本公开的至少ー个实施例针对不均匀遮蔽角使用单个卫星的点波束的上升和下降时间估计用户接收器装置的位置的图示。图10提供图示根据本公开的至少ー个实施例获得用户接收器装置和卫星之间的范围的运行估计的方法的流程图。
具体实施例方式这里公开的方法提供了使用点波束交叠进行地理位置调节(geolocationleverage)的操作系统。具体地，该系统涉及使用点波束以获得維持用于时间变换的足够高准确性的精确定位。当前，由各种现有卫星导航系统提供的导航和定时信号通常无法提供令人满意的系统性能。特别地，这种导航和定时信号的信号功率、带宽和几何调节通常不足以满足许多苛刻使用方案的需求。例如，基于全球定位系统(GPS)信号的现有导航和定时方法在很多实例中通常对导航用户不可用。在操作期间，GPS接收器通常必须接收至少四个同步的测距(range)源以允许三维(3D)定位和精确的时间变换。然而，GPS信号通常提供不充分的低信号功率或者几何形状(geometry)，从而不容易穿过市区的深谷或者建筑物的墙壁。当这种情形发生吋，GPS接收器将无法接收其进行精确3D定位和时间变换所需要的信号。在另ー示例中，基于蜂窝电话或者电视信号的导航方案也不提供令人满意的系统性能。这是因为其信号通常缺乏垂直导航信息，这种信息是许多导航使用方案期望得到的。现有导航系统试图通过利用各种方案克服室内导航的不足。这些各种方案中的一些方案包括使用惯性导航系统、专用灯塔和高灵敏度GPS系统。然而，应该注意到这些方法中的每种方法都具有其自身独ー无ニ的缺点。惯性导航系统偏斜并且昂贵。灯塔需要昂贵且尚未标准化的专用固定设备。同样，灯塔被建筑只是为了具有专门的效用。并且，由于GPS信号在室内环境中的虚弱，所以灵敏的GPS系统通常不会按用户的期望完成任务。公开的系统和方法能够在用户接收器装置位于衰减环境、阻塞环境和/或封闭环境中例如在室内时提供导航系统性能的改进。本公开的系统和方法考虑根据用户接收器装置位于其内的卫星的方向信号(即点波束)的已知来确定用户接收器装置在地球表面上或附近的位置的估计。通过利用唯一可识别的点波束几何形状的知识，例如来自Iridium低轨道地球卫星，用户接收器装置能够辨别出用户接收器装置在任何给定时间段位于哪组卫星点波束内。用户接收器装置的位置的最简单的近似是点波束的中心在地球表面上的投影的计算，其在统计学上具有用户接收器装置的真实位置的最高可能性。结合已知卫星位置，由用户接收器装置推导出的ー阶近似的用户接收器装置位置估计可用于估计用户接收器装置-卫星单位矢量。本公开的系统采用被称为波束平均的方法，其包括各种实施例以估计用户接收器装置的位置，并且随后用额外测量细化/精化(refine)该估计。在自信号点波束产生ー阶位置估计之后，可以通过监视随时间前进扫过用户接收器装置的连续的点波束来细化该估计。当存在用户接收器装置位于两个或更多点波束的交集内的情况时，用户接收器装置的·位置可以估计为处于点波束的交集的中心。在给定的持续时间段间，用户接收器装置可能位于来自单个卫星或者多个卫星的多个交叠点波束内。用户接收器装置的位置可以估计为处于多个交叠点波束的中心的重心/质心(centroid)。另外，两个或更多连续的用户接收器装置位置估计可以在时间上求平均以进ー步减少用户接收器装置的位置误差。每单位面积传输较大数目点波束的卫星将提供更准确的用户接收器装置估计。通过仔细记录哪些波束交叠以及这种交叠关于时间怎样变化可以显著改善地理位置算法和卫星距离预测的准确性。在至少ー个实施例中，单个点波束的上升和下降(setting)时间被追踪，并且用户接收器装置的位置被估计为在点波束内的ー个位置，该位置相应于由用户接收器装置确定的点波束上升和下降时间之间的中间
(halfwayノ。在一个或更多实施例中，所公开的系统和方法通过使用接收器位于其内部的至少ー个非对地静止的运载工具的方向信号(即点波束)的知识获得位于地球表面上或附近的用户接收器装置的方位的估计。本公开可采用的特定类型的非对地静止的运载工具由Iridium卫星星座例示，其为低轨道地球(LE0)、3轴稳定的、地球指向卫星，其在已知的确定性天线点波束图中向地球传输信号。对于任意给定卫星，如果在任意时刻も，卫星相对地球的方位和俯仰角(attitude)已知，并且如果发射的天线点波束相对卫星的方向已知，那么能够计算出时刻h在地球表面上点波束的中心的交集。进ー步地，如果天线点波束的特性众所周知，则可以计算时刻h天线点波束在地球表面上的投影的图形。这对于本领域技术人员是众所周知的。例如，在Iridium卫星星座示例中，卫星向所定义的坐标系中的用户接收器装置发射点波束中心位置是可能的。通过利用唯一可识别的点波束几何形状的知识，检测至少ー个点波束信号的用户接收器装置能够辨别出在给定时刻h用户接收器装置位于哪组卫星和点波束内。例如，接收的信号的部分可能标识具体的点波束识别号码。一旦用户接收器装置位于其内的点波束被确定，用户接收器装置就可以确定它处于点波束的投影内的ー个位置。然后，一旦用户接收器装置计算点波束在时刻も的投影的位置，用户接收器装置就可计算时刻も其自身位置的估计。此测量的准确性将取决于给定点波束在地球表面上的投影的大小。每个运载工具传输更多数目的点波束的诸多运载工具将提供更准确的方位估计。易于理解的是，这种系统的准确性将是地球表面上或附近的点波束投影的大小和数目的函数。同样地，系统的准确性可以通过増加地球表面上点波束的数目以及減少地球表面上点波束的半径(即聚焦点波束)得到提高。应该注意，本公开的系统和方法可以采用各种类型的高架运载工具作为用于点波束的发射源。可用于本公开的系统的运载工具的类型包括单不限于卫星、伪卫星、航天飞机、飞行器、飞机、无人机(UAV)、飞船和/或直升机。此外，各种类型的卫星可以用于所公开系统的运载工具，其包括但不限于低轨道地球(LEO)卫星、中轨道地球(MEO)卫星和/或对地静止地球轨道(GEO)卫星。当采用非卫星的运载工具时，不需要对所公开的系统作出实际的改变，只要点波束几何形状对于用户接收器装置已 知并且被良好定义。而且，在本公开的系统的ー个或更多实施例中，至少ー个运载工具具有已知的轨道和/或已知的路径。在以下说明中，记载了很多细节以提供对本系统的更彻底的描述。然而，对于本领域技术人员来说，不需要这些具体细节也可以实践本公开的系统是显而易见的。在其他实例中，并未详细描述众所周知的特征，以免不必要地模糊该系统。图IA根据本公开的至少ー个实施例示出为获得用户接收器装置120的位置的估计，单个卫星100的交叠的多个点波束110的使用。并且，图IB根据本公开的至少ー个实施例示出为获得用户接收器装置120的位置的估计而使用单个卫星100的交叠的多个点波束110同时ー并使用蜂窝网络130。除了图IB采用蜂窝网络130的使用以外，图IB与图IA类似。在这两个图中，可以看出单个卫星100向地球发射至少ー个点波束110。在ー个或更多实施例中，卫星100使用至少ー个射频(RF)天线发射点波束110的至少ー个。用户接收器装置120从发射的点波束110的至少ー个接收信号。然后，用户接收器装置120根据其在发射的点波束110中的一个点波束内的位置计算其在地球上的位置的估计。在图IA和IB中，用户接收器装置120计算用户接收器装置120位于其内的至少一个点波束的位置。为了进行此计算，用户接收器装置120使用卫星100方位的知识、卫星100俯仰角的知识和/或点波束110的方向和/或图形的知识。在一些实施例中，为了用户接收器装置120获得点波束110的方向和/或图形知识，用户接收器装置120參考波束几何形状数据库和/或内部轨道模型。在图IA中，卫星100方位信息(即星历表)从卫星100自身发射到用户接收器装置120。在一些实施例中，用户接收器装置120通过来自卫星100的发射接收轨道数据信息和/或轨道A修正信息。在一个或更多实施例中，用户接收器装置120通过使用来自其内部轨道模型的数据并使用其从卫星100接收的轨道A(delta)修正计算卫星100方位。在ー些实施例中，点波束110的方向和/或图形的计算在卫星100上完成。点波束110的方向和/或图形信息可以作为包含在点波束的信号中的消息的部分从卫星100传输到用户接收器装置120。可替换地，在图IB中，卫星100方位信息(即星历表)通过蜂窝网络130被传输给用户接收器装置120。在其他实施例中，除蜂窝网络之外的各种类型的基于地球的网络可以被本公开的系统采用以将卫星100方位信息(即星历表)传输给用户接收器装置120。在一些实施例中，用户接收器装置120通过来自蜂窝网络130的传输接收轨道数据信息和/或轨道A修正信息。在一个或更多实施例中，用户接收器装置120通过使用来自其内部轨道模型的数据并使用其从蜂窝网络130接收的轨道A修正计算卫星100方位。在一个或更多实施例中，当用户接收器装置120只从ー个点波束110接收信号吋，用户接收器装置120计算用户接收器装置120的位置的估计位于点波束的中心。可替换地，当用户接收器装置120从两个或更多点波束110接收信号时，用户接收器装置120计算用户接收器装置120的位置的估计位于装置120自其接收信号的点波束110的交集150的中心。在其他实施例中，当用户接收器装置120从两个或更多点波束110接收信号时，用户接收器装置120计算用户接收器装置120的位置的估计位于装置120自其接收信号的点波束110的中心的重心。在至少ー个实施例中，用户接收器装置120使用其从卫星100接收的信噪比(SNR)测量进一步细化其计算的其位置的估计。应该注意，在一些实施例中，用户接收器装置120的位置的估计用于提供对当前使用的地理位置算法的准确性的改进。此外，用户接收器装置120的位置的估计可以被全球定位系统(GPS)使用以有助于快速获得GPS信 号。在一些实施例中，图IA和IB的用户接收器装置120包括至少ー个射频(RF)天线140，其用于从自卫星100发射的至少ー个点波束接收信号。RF天线可以被制造成位于用户接收器装置120的外壳的内部或外部。在一些实施例中，用户接收器装置120还包括处理器，其用于根据用户接收器装置120在至少ー个点波束110内的位置计算用户接收器装置120的位置的估计。在至少ー个实施例中，用户接收器装置120进ー步包括本地时钟和存储器，该存储器适于存储随时间记录的连续点波束识别信息。在一个或更多实施例中，用户接收器装置120是可移动的或者是固定的。图2根据本公开的至少ー个实施例图示为获得用户接收器装置120的位置的估计，随着时间的推移单个卫星100的交叠的多个点波束的使用。在此图中显示出，在时刻tQ，用户接收器装置120位于由SAT I卫星100放射/发射的点波束200的交集210内。应该注意，在此图中，由SAT I卫星100放射的点波束200是固定方向的波束，不是扫描波束。在一个或更多实施例中，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第一估计为位于点波束200的交集(intersection) 210的中心。然后，该用户接收器装置120在其存储器中存储时刻h点波束200的位置，并存储用户接收器装置120的位置的此第一估计。在该图中还示出，在后来的时刻At，从SAT I卫星100放射的点波束200扫过地球表面。同样，该用户接收器装置120现在位于地球表面上点波束200的不同的交集220内。在这ー时间点上，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第ニ估计为位于点波束200的交集220的中心。然后，该用户接收器装置120在其存储器中存储时刻At的点波束200的位置，并存储将用户接收器装置120的位置的第二估计。一旦该用户接收器装置120获得用户接收器装置120的位置的至少两个估计，用户接收器装置120的处理器使用这些估计计算用户接收器装置120的位置的进ー步细化的估计。在该图中，显示了用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的细化估计为处于交集210区域和交集220区域的交叠区域230的中心。在一个或更多实施例中，该用户接收器装置120使用波束平均技术获得进ー步细化的估计。使用此技术，用户接收器装置120的处理器计算存储的用户接收器装置120的位置的所有估计的平均以获得细化的估计。在一些实施例中，用户接收器装置120的处理器使用波卡尔曼滤波器以执行波束平均。在可替换的实施例中，用户接收器装置120的处理器使用匹配的滤波器来执行波束平均。图3根据本公开的至少ー个实施例示出为获得用户接收器装置的位置的估计，两个卫星的交叠的多个点波束的使用。在该图中示出，在时刻b，用户接收器装置120位于由SAT I卫星100和SAT 2卫星300放射的点波束310的交集320内。在该图中，由SAT I卫星100和SAT 2卫星300放射的点波束310不是扫描波束，而是固定方向的波束。在ー些实施例中，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第一估计为位于SAT I卫星100放射的点波束的交集330与SAT2卫星300放射的点波束的交集340的交集320的中心。然后，用户接收器装置120在其存储器中存储时间b点波束310的位置，并且存储用户接收器装置120的位置的该第一估计。在至少ー个实施例中，在时刻tQ+A t，SAT I卫星100和SAT 2卫星300放射的点 波束310扫过地球表面。同样，用户接收器装置120现在位于SAT I卫星100放射的点波束的交集和由SAT 2卫星300放射的点波束的交集的不同交集内。在该时间点，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第二估计为位于SAT I卫星100放射的点波束的交集与SAT 2卫星300放射的点波束的交集的交集。然后，用户接收器装置120在其存储器中存储时刻A t存储点波束310的位置，并在其存储器中存储用户接收器装置120的位置的第二估计。在一些实施例中，用户接收器装置120通过使用波束平均获得更细化的估计。对于波束平均，用户接收器装置120的处理器通过计算存储的用户接收器装置120的位置的所有估计的平均值来确定细化的估计。应该注意，在可替换的实施例中，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置为位于SAT I卫星100放射的点波束的中心与SAT 2卫星300放射的点波束的中心的重心。图4根据本公开的至少ー个实施例示出为获得用户接收器装置的位置的估计，随时间的推移而扫描的单个卫星的交叠的多个点波束的使用。在该图中示出，在时刻b，用户接收器装置120位于SAT I卫星100放射的点波束400的交集410内。应该注意，SAT I卫星100放射的点波束是扫描波束，不是固定方向的波束。同样，扫描的点波束400正在随时间的过去而扫过地球表面。用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第一估计为位于SAT I卫星100放射的点波束400的交集410的中心。然后，用户接收器装置120在其存储器中存储时间b点波束400的位置，并存储用户接收器装置120的位置的该第一估计。在时刻A t，SAT I卫星100放射的扫描点波束400扫过地球表面。用户接收器装置120现在位于地球表面上点波束400的不同的交集420内。此时，用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的第二估计为位于点波束400的交集420的中心。之后，用户接收器装置120在其存储器中存储时刻At点波束400的位置，并存储用户接收器装置120的位置的该第二估计。在用户接收器装置120获得用户接收器装置120的位置的至少两个估计之后，用户接收器装置120的处理器使用这些估计计算用户接收器装置120的位置的细化估计。用户接收器装置120的处理器计算用户接收器装置120的位置的细化估计为处于交集410区域和交集420区域的交叠区域430的中心。在一些实施例中，用户接收器装置120使用波束平均计算进一步细化的估计。对于此技术，用户接收器装置120的处理器计算存储的用户接收器装置120的位置的所有估计的平均值来获得细化的估计。图5、6和7根据本公开的多个实施例示出为获得用户接收器装置的位置的估计而使用卫星信号振幅的各种实施例。特别是，图5示出为了获得用户接收器装置的位置的估计被用户接收器装置接收的单个卫星信号振幅的使用，图6示出为了获得用户接收器装置的位置的估计，被用户接收器装置接收的两个卫星信号振幅的使用，以及图7示出为了获得用户接收器装置的位置的估计来自随时间的推移被扫描的点波束的单个卫星信号振幅的使用。在图5中，SAT I卫星100向地球放射一个点波束110。在该图中，点波束500被示为具有主波束510和两个旁瓣波束520。应该注意，对于该图，点波束500是固定方向的
波束，不是扫描波束。在该图中，用户接收器装置120被显示为从放射的主波束510接收信号。用户接收器装置120的处理器使用它接收的信号的振幅根据其在发射的主波束510的信号振幅轮廓(contour) 530内的位置计算其在地球上的位置的估计。一旦用户接收器装置120获得其位置的估计，用户接收器装置120将在器存储器中存储点波束500在地球上的位置，并存储其用户接收器装置120的位置的估计。在图6中，示出SAT I卫星100和SAT 2卫星300每个都分别在地球上放射ー个点波束600、610。在该图中示出，用户接收器装置120位于SAT I卫星100放射的点波束600和SAT 2卫星300放射的点波束610的交集630内。对于该图，点波束600和点波束610是固定方向的波束，不是扫描波束。用户接收器装置120的处理器使用它接收的信号的振幅根据其在发射的点波束600、610的信号振幅轮廓640内的位置计算其在交集630内的位置的估计。在用户接收器装置120获得其位置的估计之后，用户接收器装置120在其存储器中存储点波束600和点波束610的位置，并存储用户接收器装置120的位置的估计。图7中，在时刻b，显示了 SAT I卫星100在地球上放射点波束700。此时，用户接收器装置120位于SAT I卫星100放射的点波束700内。应该注意，SAT I卫星100放射的点波束700是扫描波束，不是固定方向的波束。因此，当随时间的推移点波束700扫描时，其扫过地球表面。用户接收器装置120的处理器使用它接收的信号的振幅根据其在点波束700的信号振幅轮廓内的位置计算其在点波束700内的位置的第一估计。然后，用户接收器装置120在其存储器内存储时刻b点波束700的位置，并存储用户接收器装置120的位置的第一估计。而且在图7中，在时刻tQ+A t，显示出SAT I卫星100波束700放射的点波束700扫过地球表面(此时示为点波束710)。用户接收器装置120此时位于点波束710内。此时，用户接收器装置120的处理器使用它接收的信号的振幅根据其在点波束710的信号振幅轮廓内的位置计算其在点波束710内的位置的第二估计。然后，用户接收器装置120在其存储器内存储时间A t点波束710的位置，并存储用户接收器装置120的位置的第二估计。一旦用户接收器装置120获得用户接收器装置120的位置的至少两个估计，用户接收器装置120的处理器即使用这些估计计算用户接收器装置120的位置的进ー步细化的估计。用户接收器装置120的处理器使用波束平均计算用户接收器装置120的位置的进ー步细化估计为在点波束700和点波束710的交叠区域720内。此外，处理器根据其在点波束700和710的信号振幅轮廓730内的位置通过使用其接收的信号的振幅计算其在交叠区域720内的位置，从而获得用户接收器装置120的位置的更进ー步细化的估计。图8是按照本公开的至少ー个实施例针对均勻遮蔽角(masking angle)使用单个卫星100的点波束的上升和下降时间估计用户接收器装置120的位置的图示。在该图中，点波束的上升和下降时间用于获得用户接收器装置120的位置的估计。对于这些实施例，从点波束上升的时间(tKISE)到点波束下降的时间(tSET)，点波束的所有方位被记录。假设在所有方向相对于用户接收器装置120具有均勻的遮蔽高度角(elevation mask angle),在时间=((tSET_tKISE)/2)，用户接收器装置被假设为位于在轨方向的点波束的中心。应该注意，在轨(in-track)方向被定义为在用户接收器装置120头顶的卫星的运动方向。对于在轨方向坐标系，原点位于用户接收器装置120的位置，X轴处于在用户接收器装置120头顶的卫星的运动方向，z轴处于朝地心的方向，y轴使右旋笛卡儿坐标系完整。图9A根据本公开的至少ー个实施例示出针对不均匀遮蔽角使用单个点波束的上·升和下降时间估计用户接收器装置的位置的图示。并且，图9B根据本公开的至少ー个实施例显示针对不均匀遮蔽角使用单个卫星点波束的上升和下降时间估计用户接收器装置的位置的图示。对于这些图，由于经过用户接收器装置上方的卫星星座的波束图在已知方向上(例如，从北向南)，所以只有在这些方向(例如，北和南)上的遮蔽角将是相关的，因为第一方向(例如，北)是卫星上升的方向，而第二方向(例如，南)是卫星下降的方向。对于这些实施例，a表示星座遮蔽角；ら是与在卫星上升的方向上阻塞用户接收器装置到卫星的视线的可能障碍相关联的遮蔽角；并且@2是与在卫星下降的方向上阻塞用户接收器装置到卫星的视线的可能障碍相关联的遮蔽角。当任何ー个P角或两个@角
>a时引入偏离值。当￠,￠2=*1或者@ 1=0 2デa时，图8中讨论的均勻遮蔽角的情形出现。对于这些实施例，P角已知或者被估计。图9A和9B示出存在使P2大于遮蔽角a的障碍的特定情形。当在卫星上升方向存在小的障碍吋，^!<a,因此该障碍不影响用户接收器装置与卫星的视线。因此，可以忽略该障碍。应该注意，对于卫星上升方向中的障碍，也存在P1Sa的类似变化。假设在卫星上升的方向和卫星下降的方向上高度不均匀，那么可以假设在时间(Atftue)/2，其中(Atftue)/2= ( AtKeverMeasured+At02BiaS)/2，用户接收器装置位于在轨方向点波束投影的中心。图10提供图示根据本公开的至少ー个实施例获得用户接收器装置与卫星之间的范围的运行估计的方法的流程图1000。在该图中，用户接收器装置从低轨道地球(LEO)卫星1010接收卫星天文历表(ephemeride)数据。应该注意,在其他各种的实施例中，公开的方法可以采用除LEO卫星以外的不同类型的卫星。在用户接收器装置接收天文历表数据之后，用户接收器装置的处理器导出瞬时卫星方位、速率和加速度1020。在用户接收器装置计算这些推导之后，用户接收器装置自卫星接收放射的卫星点波束的初始点波束标识1030。在从卫星接收点波束标识之后，用户接收器装置在用户接收器装置存储器中登记点波束标识和点波束中心用于相继的点波束1040。然后，用户接收器装置的处理器通过波束平均技术利用这些登记的点波束标识和点波束中心，以导出运行的用户接收器装置方位估计1050。然后，用户接收器装置的处理器导出用户接收器装置对卫星単位矢量的运行估计1060。接下来，用户接收器装置的处理器测量卫星的多普勒频率偏移1070。然后，用户接收器装置的处理器使用多普勒频率偏移计算多普勒范围估计1080。在至少ー个实施例中，用户接收器装置使用卡尔曼滤波器计算多普勒范围估计。用户接收器装置将计算的用户接收器装置的运行估计维持至卫星范围1090。尽管本文公开了某些说明性的实施例和方法， 但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，根据上述公开可以对这些实施例和方法作出变化和修改而不偏离所公开的技术的真实精神和保护范围。本公开的技术存在许多其他实例，每个都只在细节上不同于其他的。因此，意图是公开的技术应该仅限于由所附权利要求和适用法律的规定和原则所要求的范围。
权利要求
1.ー种提供用户接收器装置的位置的估计的方法，所述方法包括 从至少一个运载工具发出至少ー个点波束到地球上； 使用所述用户接收器装置接收来自所述至少一个点波束的信号；和 使用所述用户接收器装置根据所述用户接收器装置在所述至少一个点波束内的位置计算所述用户接收器装置的位置的估计。
2.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述方法进一歩包括计算从所述至少一个运载工具到地球表面的范围。
3.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述方法进 一歩包括计算从所述至少一个运载工具到所述用户接收器装置的范围。
4.根据权利要求3所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中计算从所述至少ー个运载工具到所述用户接收器装置的范围包含 測量所述至少一个运载工具的多普勒频率偏移； 使用卡尔曼滤波器计算多普勒范围估计和伪距离测量；和 计算从所述至少一个运载工具到所述用户接收器装置的范围的运行估计。
5.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述方法提供地理位置算法的准确性的改进。
6.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置位于衰减环境内。
7.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置位于阻塞环境内。
8.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置位于封闭环境内。
9.根据权利要求8所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述封闭环境是在室内。
10.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述方法进ー步包括使用来自所述至少ー个运载工具的信噪比即SNR測量来进ー步细化所述用户接收器装置的位置的所述估计。
11.根据权利要求I所述的提供至少ー个运载工具的位置的估计的方法，其中所述至少ー个运载工具是卫星。
12.根据权利要求I所述的提供至少ー个运载工具的位置的估计的方法，其中所述至少ー个运载工具是伪卫星。
13.根据权利要求I所述的提供至少ー个运载工具的位置的估计的方法，其中所述至少ー个运载工具是航天飞机。
14.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具是飞行器。
15.根据权利要求14所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述飞行器是飞机。
16.根据权利要求14所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述飞行器是无人机即UAV0
17.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具是飞船。
18.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具是直升机。
19.根据权利要求11所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述卫星是低轨道地球即LEO卫星。
20.根据权利要求11所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述卫星是中轨道地球即MEO卫星。
21.根据权利要求11所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述卫星是对地静止地球轨道即GEO卫星。
22.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具具有已知的軌道。
23.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具具有已知的路径。
24.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置是可移动的。
25.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置是固定的。
26.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个运载工具用至少ー个射频即RF天线放射所述至少一个点波束。
27.根据权利要求26所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个点波束作为固定位置波束从所述至少ー个RF天线放射。
28.根据权利要求26所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述至少一个点波束作为扫描波束从所述至少ー个RF天线放射。
29.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置用至少ー个射频即RF天线接收来自所述至少ー个点波束的信号。
30.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置使用处理器计算所述用户接收器装置的位置的估计。
31.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中当所述用户接收器装置只从ー个点波束接收信号时，所述用户接收器装置将所述用户接收器装置的位置的估计计算为位于所述ー个点波束的中心。
32.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中当所述用户接收器装置从至少两个点波束接收信号时，所述用户接收器装置将所述用户接收器装置的位置的估计计算为位于所述至少两个点波束的交集的中心。
33.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中当所述用户接收器装置从至少两个点波束接收信号时，所述用户接收器装置计算所述用户接收器装置位置的估计为位于所述至少两个点波束的中心的重心。
34.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置从所述点波束上升的时间(tKISE)到所述点波束下降的时间(tSET)记录点波束定位。
35.根据权利要求34所述的提供用户接收器装置位置的估计的方法，其中当相对于所述用户接收器装置的全部方向上遮蔽角均匀时，假设在时间=((tSET_tKISE)/2)，所述用户接收器装置位于在轨方向的所述点波束的中心。
36.根据权利要求34所述的提供用户接收器装置位置的估计的方法，其中当遮蔽角在点波束上升方向和点波束下降方向上不均匀时，假设在时间=((AtTrae)/2)，其中(Atftue)/2= ( Δ tEcverMeasured+ Δ t β Bias) /2，所述用户接收器装置位于在轨方向的所述点波束的中心。
37.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置使用接收的所述至少一个点波束的振幅计算所述用户接收器装置的位置的所述。
38.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置对随时间计算的所述用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均，以进ー步细化所述用户接收器装置的位置的估计。
39.根据权利要求38所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置使用卡尔曼滤波器，以对所述用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均。
40.根据权利要求38所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置使用匹配滤波器，以对所述用户接收器装置的位置的两个或更多估计求平均。
41.根据权利要求I所述的提供用户接收器装置的位置的估计的方法，其中所述用户接收器装置的位置的估计由全球定位系统即GPS使用，以有助于快速获得所述GPS信号。
42.ー种提供用户接收器装置的位置的估计的系统，所述系统包含 至少ー个运载工具，其中所述至少一个运载工具发射至少ー个点波束到地球上；和 所述用户接收器装置，其中所述用户接收器装置包含 至少ー个射频即RF天线,其中所述至少ー个RF天线接收所述 至少ー个点波束；和 处理器，其中所述处理器根据所述用户接收器装置在所述至少 一个点波束内的位置计算所述用户接收器装置的位置的估计。
43.根据权利要求42所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述用户接收器装置进ー步包含 本地时钟；和 存储器，其中所述存储器适于存储随时间记录的相继点波束识别信息。
44.根据权利要求42所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述处理器能够计算所述至少一个运载工具的多普勒频率偏移。
45.根据权利要求42所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述用户接收器装置进ー步包含内部轨道模型。
46.根据权利要求45所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述用户接收器装置经由来自所述至少ー个运载工具的传输接收轨道数据信息。
47.根据权利要求45所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述用户接收器装置经由来自所述至少ー个运载工具的传输接收轨道Λ修正信息。
48.根据权利要求45所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述用户接收器装置经由来自基于地球的网络的传输接收轨道Λ修正信息。
49.根据权利要求48所述的提供用户接收器装置的位置的估计的系统，其中所述基于地球的网络是蜂窝网络。
全文摘要
公开了用于提供用户接收器装置的位置的估计的方法和系统。该方法和系统涉及从至少一个运载工具发出至少一个点波束到地球上，并且使用用户接收器装置从至少一个点波束接收信号。在一个或更多实施例中，至少一个运载工具可以是卫星和/或伪卫星。该方法和系统进一步涉及使用用户接收器装置根据用户接收器装置在至少一个点波束内的位置计算用户接收器装置的位置的估计。在一些实施例中，当用户接收器装置从至少两个点波束接收信号时，用户接收器装置计算用户接收器装置的位置的估计为位于至少两个点波束的交集的中心。
文档编号H04B7/15GK102859901SQ201180018040
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者D·A·惠兰, G·M·格特, R·W·布伦利, M·L·埃格林顿, C·J·马腾斯, A·T·哈达德, R·R·施马尔茨里德 申请人:波音公司