專利名稱：基于加權最小二乘估算來確定地球上的發射器的地理位置解的制作方法
基于加權最小二乘估算來確定地球上的發射器的地理位置解
背景技術：
1. 發明領域
本發明涉及基于衛星信號的測量來確定未知發射器的地理位置。
2. 相關技術描述
圖1示出地理位置情形100，其中地球的表面101上的發射器110可以使
用二個衛星S,、 S2和S3來定位。衛星S卜S2和S3相對于地球具有非零速度。未 知發射器110送出信號112且該信號由衛星S,、 S2和S3接收。衛星S,、 S2和S3
將信號U4分程傳送給地面站120或其它觀察點。
地面站120計算信號112從發射器110通過主衛星Sl到地面站120與信 1'， 112從發射器110通過另一衛星S2到地面站120之間的到達時間差(TDOA)， 其被表示為"21。類似地，還測量信號112從發射器110通過第一衛星s,到地 面站120與信號112從發射器110通過第三衛星s3到地面站120的TDOA，其
從TDOA測量和在TDOA測量中使用的兩個衛星的位置，可以導出定義 發射器110的可能位置的三維曲面。地面站120并不精確知道衛星的位置和速 度。使用其位置已被確切知道的固定基準發射器130來減小在地面站120方面 的衛星的位置和速度誤差對發射器110位置估算的影響。
此領域之前的理論工作，如作為參考整體合并于此的K. C. Ho和Y. T. Chan 的"Geolocation of a known altitude object from TDOA and FDOA measurements (根據TDOA和FDOA測量對已知海拔高度對象的地理定位)"， IEEE航空航天與電子系統匯刊，33巻，770-783頁，1997年7月("Ho和 Chan")，示出了如何通過在地球表面上尋找兩條TDOA曲線的交點來估算 發射器110的位置。然而，從兩個TDOA測量尋找發射器110的位置的當前技 術假設兩個TDOA信號是被同時獲取的。在實踐中，情況通常并不如此或甚至是不可能的。例如，設備的技術限制，包括地面站120的接收天線的孔徑中的 限制，可能阻止同時獲取兩個測量。同樣，在某些情況下，不是衛星s,、 S2和
S3中的所有三個都能夠在同一時刻觀察到來自發射器110的同一信號。
另選地，可以通過地面站120處的接收信號114中的多普勒頻移的測量來
尋找未知發射器110的位置。因為衛星S,、S2和S3具有相對于地球的非零速度， 所以通過，.星S,、 S2和S3分程傳送的地面站120處的接收信號114將經受多普 勒頻移。這造成了通過衛星對s,和s2分程傳送的信號112的到達頻率差 (FDOA)，其被表示為/21，以及通過衛星對s,和53分程傳送的信號112的 FDOA，其被表示為/3|。從FDOA測量和在FDOA測量中使用的兩個衛星的 位置，可以導出定義發射器UO的可能位置的三維曲面。同樣，地面站120并 不精確知道衛星的位置和速度。使用其位置已被確切知道的固定基準發射器 130來減小在地面站120方面的衛星的位置和速度誤差在發射器110位置的估 算中的影響。發射器110的位置可以通過在地球表面上尋找兩條FDOA曲線的 交點來估算。
再另選地，某些人建議可以通過使用一個TDOA測量和一個FDOA測量 來尋找未知發射器110的位置。然而，這些解決方案要求生成TDOA和FDOA 測量的信號被同時獲取且它們來自相同的衛星對。在實踐中通常不滿足這些條件。
因此，存在對更準確地確定發射器的位置的系統和方法的需要。還存在在 來自不同衛星的信號是在不同時刻獲取的情況下準確地確定發射器的位置的需要。
概述
本發明的各實施例提供無論來自不同衛星的信號是否在不同時刻獲取都 基于加權最小二乘估算使用四個TDOA和FDOA測量來確定地球上的發射器 的地理位置的系統和方法。確定該四個TDOA和FDOA測量和每--測量中的 誤差。確定TDOA和FDOA測量中的誤差的權重，且將這些權重應用于加權 誤差函數。最小化該加權誤差函數來確定未知發射器的位置估算。在一個實施例中，TDOA和FDOA測量中的誤差的權重取決于發射器位 置。例如，通過使用TDOA — FDOA解來作出發射器位置的估算。通過最小化 該加權誤差函數來尋找對發射器位置的更準確的估算。可以迭代該過程直到發 射器位置的估算不再改變為止。
本發明具有各種實施例，包括作為計算機實現的過程、作為計算機裝置、 以及作為在通用或專用處理器上執行的計算機程序產品。本概述以及以下詳細 描述中所描述的特征和優點并不包括一切。考慮到附圖、詳細描述、以及權利 要求，許多額外特征和優點將對本領域的普通技術人員是顯而易見的。
圖1示出其中具有未知位置的發射器發射通過三顆不同的衛星 在地面站處被接收的信號的地理位置場景。
圖2示出根據一個實施例的TDOA曲線的形狀的示例，該TDOA是從信 號從發射器通過主衛星Sl到地面站與該信號從發射器通過另一衛星s2到地面 站之間的到達時間差中導出的。
圖3A示出了根據一個實施例的兩條TDOA曲線在地球表面上的交點。
圖3B示出了根據一個實施例的兩條TDOA曲線和兩條FDOA曲線的示 例交點，其中每一條曲線是無噪聲的。
閣3C示出了根據一個實施例的將實際發射器位置與兩條TDOA曲線和兩 條FDOA曲線的交點進行比較的示例，其中每一條曲線包括噪聲。
圖4是根據一個實施例的估算未知發射器的位置的方法的流程圖。
各附閣僅出于說明目的來描述本發明的各實施例。本領域的技術人員將容 易地從以下討論中認識到，可以在不背離此處所述的本發明的原則的情況下采 用此處所示的結構和方法的替換實施例。
各實施例的詳細描述
圖1示出其中具有未知位置的發射器110發射通過三顆不同的衛星在此處 被稱為地面站120的觀察者處被接收的信號112的地理位置場景100。如上所 述，衛星S。 S2和S3相對于地球具有非零速度。未知發射器110送出信號112 且該信號由衛星S,、 S2和S3接收。衛星S,、 S2和S3將信號114分程傳送至地面站120。
地面站120確定信號112從發射器110通過主衛星Sl到地面站120與信 號112從發射器110通過另一衛星S2到地面站120之間的到達時間差(TDOA)， 其被表示為c/2,。類似地，還測量信號112從發射器110通過第一衛星s,到地 面站120與信號112從發射器110通過第三衛星s3到地面站120的TDOA，其 被表示為4卜注意，獲得^2|和"31的信號114不是在同一時刻獲取的，從而 導致對應于d2l和c/3l的衛星的位置不是相同的。
如以上還描述的，因為衛星S,、 S2和S3相對于地球具有非零速度，所以通
過衛足s,、 &和s3分程傳送的、在地面站120處的接收信號114將經受多普勒 頻移。這造成了通過衛星對s,和52分程傳送的信號112的到達頻率差(FDOA)， 其被表示為/2|，以及通過衛星對s,和S3分程傳送的信號112的FDOA，其表 示稱為/31。從FDOA測量和FDOA測量中使用的兩個衛星的位置中，可以導 出定義發射器110的可能位置的三維曲面。同樣，地面站120并不精確知道衛 星的位置和速度。使用其位置已被確切知道的固定基準發射器來減小衛星的位 置和速度誤差在發射器位置的估算中的影響。
在此框架中，TDOA和FDOA測量可以與未知發射器的位置有關。要尋 找的該未知發射器的位置被表示為u:"^，zf。在獲取信號時真實的衛星位置
和衛星速度分別被表示為《 ' 廣和"-^，W，W，其中/=1, 2, 3表
示衛星編號。 < 和《對地面站未知，且僅有不準確的衛星位置 s, =s;J +As, -[x"力，，],和速度吣=《^[i,，j),，i,.f可用，其中As,禾口 A吣表示
衛星位置和速度中的誤差。使用等于^"的As'的協方差矩陣和等于^Z的^' 的協方差矩陣將它們建模為獨立恒等分布(IID)，其中I是3X3的單位矩陣。 地面站的位置被表示為g-^g'^'^f 。兩個向量p和q之間的歐幾里德距離
應由 ，q = lp — ql來表示，且pp，q應該表示由下式給出的單位向量
在一個實施例中，兩個TDOA如下式所示相關于未知發射器110位置u:
14(1)
(2)
其中""&)是在f。時刻通過相鄰衛星S2與通過主衛星S,分程傳送的發射信
號之間的TDOA，而^i^)是在"時刻通過相鄰衛星33與通過主衛星Si分 ^傳送的發射信號之間的TDOA。 ^和^是收集生成兩個TDOA的信號的 吋刻，且在--個實施例中；"不等于"。更具體地，在一個實施例中，時刻'。 表示其間測量通過衛星s,和衛星s2分程傳送的發射器信號的時間窗的中
點，而'6表示其間測量通過衛星S,和衛星S3分程傳送的發射器信號的時間
窗的中點。p是信號傳播速度，s^")是在時刻。第二衛星的真實位置， &21("和~，31(")表示來自衛星中的應答器的時間偏移量和其它固定偏置 誤差，而"」和"，31是隨機測量噪聲。"，21和~，31可以具有不同的功率，并 且它們由c"和^'"來表示。等式(1)定義發射器110所在的雙曲面。等式(l) 的左側(即&KfJ)從測量中確定，而右側指示"2，(,")如何相關于發射器no
的未知位置u。類似地，等式(2)基于另一TDOA測量""(")定義發射器110所 在的另 一雙曲面。圖2示出了根據一個實施例的從^i("導出的TDOA曲線 221的形狀的示例。
FDOA如下式相關于未知發射器110位置u
(3)
會(^,,,)7饑)-p",(,乂s;'(")—，sAs;(,,,^)—乂, p水)'^))+6,.3,(,'》+。.引
(4)其中是在~時刻通過相鄰衛星S2與通過主衛星Sl分程傳送的發射信號之
間的FDOA，而./31^:>是在~時刻通過相鄰衛星s3與通過主衛星Sl分程傳送的 發射信號之間的FDOA。 ^和"是在收集獲得兩個FDOA的信號的時刻，且在 -個實施例中~不等于~。更具體地，在一個實施例中，時刻^表示其間測量
通過衛星S|和衛星S2分程傳送的發射器信號的時間窗的中點，而^表示其間測 環通過衛星S,和衛星S3分程傳送的發射器信號的時間窗的中點。人是在衛星
處接收到的信號114的上行鏈路中心頻率，人是從衛星s,.到地面站的下行中心 頻率，/=1、 2、 3， p是信號傳播速度，6/，21("和~，31(~)表示來自衛星中的 應答器的本地振蕩器(LO)偏移量和其它固定偏置誤差，以及^，21和^，31是 隨機測量噪聲。^，21和^/，31可以具有不同的功率，并且它們由^.2'和""來表 小。等式(3)和(4)從FDOA測量定義發射器110所在的另兩個表面。
閣1還示出基準發射器130。令"[&，"，々f為將被用于校準以減小衛星 位置誤差和速度誤差的影響的基準發射器130的位置。在從未知發射器110獲 得TDOA和FDOA時，同時也對來自校準基準發射器130的TDOA和FDOA 進行測量，以使W,("、 W31")、 ^,(0以及T^O/)也是可用的。除了u被替 換為c且隨機噪聲"'21、 Q，31、 ￡/〕和6'/，31不同外，這些表達式具有與在等式 (1)-(4)中給出的/21&)和/31("相同的形式。隨后如下式使用
Wj(U、 ％^)、 ！/2,(0以及73,(^)形成校準因子
(5)
(6)
。,21(0 721(0.
1
2")
WO
(7)
16<formula>formula see original document page 17</formula>(8)
其中7'是來自校準基準發射器130的上行鏈路中心頻率。
從未知發射器110的相應TDOA和FDOA中減去校準因子以最小化衛星位置誤 差和速度誤差的影響。用于確定未知發射器位置的等式是<formula>formula see original document page 17</formula>其中以上四個等式的第一行是來自測量的已知量，而第二行將該已知量與要尋
找的未知u相聯系。等式(9)-(12)表示其中已經應用了從等式(5)-(8)獲得的校準 因子以減小衛星位置和速度的誤差的影響的等式(1)-(4)。在現實應用中，將存 在某些誤差、儀器噪聲、或TDOA和FDOA測量中的其它噪聲源。因此，求解等式(9)-(12)來尋找發射器位置將不可能產生單個位置。在本發明的一個實 施例中，將來自每一測量的位置估算相組合來為未知發射器110創建更準
確的位置估算。
如上所i寸論的，等式(5)-(8)中的每 一 等式根據相應測量定義未知發射器 110所在的表面。這些曲線地球表面上的交點是未知發射器110的位置的估算。 閣3A示出了根據一個實施例的兩條TDOA曲線221、 231在地球表面上的交 點的示例。圖3B示出了根據一個實施例的兩條TDOA曲線221、 231和兩條 FDOA曲線421、 431的示例交點，其中每一曲線是無噪聲或無其它誤差的。 如圖3B所示，如果TDOA和FDOA測量是無噪聲或無其它誤差的，則相應曲 線221、 231、 421、 431都將相交于是發射器IIO的真實位置的一個位置。
在現實應用中，將存在某些誤差、儀器噪聲、或TDOA和FDOA測量 中的其它噪聲源。因此，對應于TDOA和FDOA測量的曲線將不可能相交 于地球表面上的一點。圖5A示出了根據一個實施例的兩條TDOA曲線 5221 、 5231和兩條FDOA曲線5421 、 5431的交點的位置的示例，其中每 -曲線5221 、 5231 、 5421 、 5431包括噪聲。因此，這些曲線的交點是發射 器IIO的真實位置的估算。基于四個TDOA和FDOA測量中的兩個的所有 組合存在六個解。這些可能解被表示為
<21j31 : 使用等式(9)和(10)從t/21和c/3l中獲得的解
^ /2I : 使用等式(9)和(1 l)從c/21和/2|中獲得的解
^'/3I: 使用等式(9)和(12)從&和/31中獲得的解
^'，/": 使用等式(IO)和(I l)從d31和/21中獲得的解
<31'/31: 使用等式(10)和(12)從c/31和/31中獲得的解
n;/": 使用等式(11)和(12)從/21和/31中獲得的解。這些解落入三種類另ij中TDOA — TDOA、TDOA — FDOA、禾n FDOA—FDOA。 用于對每一類別的解求解的各種方法在2007年4月13日提交的題為 "Determining A Geolocation Solution Of An Emitter On Earth Using Satellite Signals (使用衛星信號來確定地球上的發射器的地理位置解)"的美國專利申 諾第1 1/735.146號中有描述，該申請通過整體引用結合于此。如下面將要描述 的，這些解可被用作發射器110的真實位置的初始估算。
圖4是根據一個實施例的估算未知發射器的位置的方法400的流程圖。在 歩驟402中，確定四個經校準的TDOA和FDOA測量中的每-一個。在一個實 施例中，使用等式(9)-(12)來確定經校準的TDOA和FDOA測量。
在步驟404中，確定四個經校準的TDOA和FDOA測量中的誤差。來自 測敏等式(9)一(12)的誤差根據以下等式來確定
(13)
(14)
e/2l =f72l("-(PU,S2(,C)"2("-PU.S|('C)、(")
(15)
e," = f 31 )_ (Pu'S3("、3(Q ) - PU,S|(。)、 ))
(16)
等式(13)-(16)分別是TDOA測量 )、 TDOA測量A,仏)、FDOA測量/2")、 以及FDOA測量/31(")的等式誤差，其各自都經過差分校準。盡管可以從(13) 一(16)中選擇任何兩個等式并將其左側的誤差設為零來獲得地球上的發射器位 置，但該解是不準確的，因為兩個所選等式中的等式誤差由于測量期間的各種 噪聲源實際上不是零。決定從四個等式中選擇哪兩個也具有難度。公式化這些誤差的動機不是假設它們為零，而是通過獲得發射器位置估算以便最小化(13) 一 (16)的誤差的平方的力P權和。
回頭參考圖4，在歩驟406中，確定四個經校準的TDOA和FDOA測量 中的誤差的權重。在-個實施例中，權重根據以下等式來確定
<formula>formula see original document page 20</formula>其中、是s'的位置誤差功率而 '是s'的速度誤差功率，/=1、2、3，且^"是 "2|測量的測量噪聲功率，""是^測量的測量噪聲功率，^h'是力,測量 的測量噪聲功率，以及^"是&測量的測量噪聲功率。等式(17)-(20)分別 是4("、 /21仏.)、和/31(。)的等式誤差的權重的倒數，其每一個都
經過差分校準。注意，權重取決于未知的真實發射器110位置u。在一個實 施例中，使用u的初步估算、'，《'來在上述四個等式(17)-(20)中替代u，任 何/=2或3 ，且產2或3 。在某些實施例中，TDOA-FDOA解中的任何 一個通常比TDOA-TDOA或FDOA-FDOA解更準確，但是也可以在等式(17)-(20) 中使用來自TDOA-TDOA或FDOA-FDOA解的真實發射器110位置的估算。 注意，如果FDOA測量相比于TDOA是非常不準確的，則TDOA-TDOA解 是根據等式(17) — (20)尋找值的初步估算的較好選擇。
在推導權重等式(17) — (20)時考慮幾個因素。例如，權重基于地理位置 幾何結構、TDOA和FDOA測量噪聲的量、衛星位置和速度中的誤差的量、 下.呈的位置和速度、以及基準發射器130的位置來推導。可以將所有這些 iI 算在分配給四個TDOA和FDOA測量中的每 一 個誤差的權重內。例如， 如果衛星位置和速度誤差小且局部化幾何結構使得(17) —(20)右邊的第二 個分量相比于第 項相對較小，則權重值的倒數將由測量中的誤差支配。 如果TDOA測量比FDOA測量更準確，使得^〈。""，則根據(17) —(20)， TDOA等式誤差《'和《'的權重將比FDOA誤差《'和吃的權重更大。該基 本原理是因為TDOA測量通常比FDOA更可靠。將這些權重應用于TDOA 和FDOA測m中的每一個誤差來形成如下式的加權誤差函數"u):
(21)
j t;-中明顯地顯示出該誤差函數取決于發射器位置u 。
在步驟408，將該加權誤差函數最小化來確定未知發射器110的位置 估算。換言之，將最小化該誤差函數的u的值確定為發射器110的位置。 在一個實施例中，使用泰勒級數技術來線性化四個TDOA和FDOA測量中 的誤差，即等式(13) — (16)。隨后，應用加權線性最小二乘最小化來獲得最 小化(21)中的加權誤差函數《(u)的發射器位置估算。該確定的位置表示由來 〔U三顆衛星s卜&和S3的組合的所有TDOA和FDOA測量所告知的估算。 閃此，在"個實施例中，從四個TDOA和FDOA測量中可以直接獲得比通 過考慮較小測量子集而得到的發射器位置估算更準確的發射器位置估算。
在- 替換實施例中，不必要在步驟406中使用TDOA-FDOA 、 TDOA-TDOA、或FDOA-FDOA角軍來確定四個TDOA禾P FDOA湖J量中的誤 差的權重。在一個實施例中，將權重值1^、 、'、 "a、和、的倒數設為單 位一且求解等式(21)來獲得初始發射器位置。隨后使用此初始發射器位置使
21用等式(17) — (21)來獲得權重。隨后，可以通過最小化該加權誤差函數(21) 來估算更準確的發射器位置。可以迭代該過程直到發射器110位置估算不 卩f改變為i卜.。發射器110位置的較好的初始估算通常將減少達到最終估算 所需的迭代次數。在某些情況下，較好的初始估算還可以給出對發射器110 的更準確的位置估算。
包括以上描述是為了示出各實施例的操作且不旨在限制本發明的范圍。從 以上討論中，將由本發明的精神和范圍涵蓋的許多變型對相關領域的技術人員 來說將是顯而易見的。本領域的技術人員還將理解，可以在其它實施例中實踐 本發明。首先，組件的特定命名、術語的大寫形式、屬性、或結構方面不是強 制或重要的，且實現本發明或其特征的機制可以具有不同名稱、格式、或協議。 此外，該系統可以經由硬件與軟件的組合或完全使用硬件元素來實現。同樣， 此處所描述的各種系統組件之間的功能的特定劃分僅僅是示例性而不是強制 性的；由竿.個系統組件執行的功能可以改為由多個組件執行，且由多個組件執 行的功能可改為由單個組件執行。
本發明的某些方面包括此處以方法的形式描述的處理步驟和指令。應該注 意，本發明的處理步驟和指令可以用軟件、固件或硬件來實施，且在用軟件實 施時，可以被下載以駐留于由實時網絡操作系統使用的不同平臺上并從這些平 臺上操作。
本發明還涉及用于執行此處的操作的裝置。此裝置可以是為所需目的而特 別構造的，或者它可以包括由存儲在可被計算機訪問的計算機可讀介質上的計 算機程序選擇性地激活或重新配置的通用計算機。這一計算機程序可被存儲在 計算機可讀存儲介質中，這些計算機可讀存儲介質諸如但不限于，包括軟盤、 光盤、CD-ROM、磁光盤在內的任何類型的盤；只讀存儲器(ROM);隨機存 取存儲器(RAM) ; EPROM; EEPROM;磁卡或光卡；專用集成電路(ASIC); 或任何其它類型的適用于存儲電子指令的介質，且每一個都耦合到計算機系統 總線。此外，本說明書中所述的方法可以由單獨的處理器來實現，或在釆用為 增加的計算能力而設計的多處理器的體系結構中實現。
此處所呈現的方法和操作并非固有地相關于任何特定計算機或其它裝置。 還可以將各種通用系統與根據此處的教示的程序一起使用，或可以證明構造更專用的裝置來實現所需方法步驟是便利的。各種這些系統所需的結構與等效變 型-起對于本領域的技術人員來說將是顯而易見的。此外，不參考任何特定編 程語言對本發明進行描述。應該理解，可以使用多種編程語言來實現如本文所 述的本發明的教示。
本發明很好地適用于多種拓撲結構上的各種各樣的計算機網絡系統。在此 領域內，大型網絡的配置和管理包括通過諸如因特網等網絡通信耦合到不同計 賞機和存儲設備的存儲設備和計算機。
最后，應該注意，已經為可讀性和指導性目的主要選擇了本說明書中使用 的語言，并且這些語言并非被選擇來界定或限定本發明主題。因此，本發明 的公開旨在說明而非限制在以下權利要求中闡述的本發明的范圍。
權利要求
1.一種從各自來自不同時間的兩個到達時間差測量和兩個到達頻率差測量中確定發射器的地理位置的方法，所述方法包括確定從所述發射器通過第一衛星分程傳送的第一信號與通過第二衛星分程傳送的所述第一信號之間的第一到達時間差，其中所述第一信號是在第一時間接收的；確定從發射器通過所述第一衛星分程傳送的第二信號與通過第三衛星分程傳送的所述第二信號之間的第二到達時間差，其中所述第二信號是在第二時間接收的，所述第二時間與所述第一時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第三信號與通過所述第二衛星分程傳送的所述第三信號之間的第一到達頻率差，其中所述第三信號是在第三時間接收的，所述第三時間與所述第一時間和所述第二時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第四信號與通過所述第三衛星分程傳送的所述第四信號之間的第二到達頻率差，其中所述第四信號是在第四時間接收的，所述第四時間與所述第一時間、所述第二時間、以及所述第三時間不同；確定所述第一到達時間差中的第一誤差；確定所述第二到達時間差中的第二誤差；確定所述第一到達頻率差中的第三誤差；確定所述第二到達頻率差中的第四誤差；確定所述第一誤差的第一權重；確定所述第二誤差的第二權重；確定所述第三誤差的第三權重；確定所述第四誤差的第四權重；以及基于應用于所述第一誤差的平方的所述第一權重、應用于所述第二誤差的平方的所述第二權重、應用于所述第三誤差的平方的所述第三權重、以及應用于所述第四誤差的平方的所述第四權重的組合來最小化加權誤差函數以確定所述發射器的地理位置。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，最小化加權誤差函數包括最小 1 21 2 1 21 2_^-_|--S" _(--《** _|--《；化~21 ^、' V2I /2,、' ^'，其中 '是所述第一權重的倒數， '是所述第二權重的倒數，^'是所述第三權重的倒數，^，'是所述第四權重的倒數，、是所述第一誤差，e^是所述第二誤差，e^是所述第三誤差，~，'以及是所 述第四誤差。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，^,是所述第一權重的倒數且 ,《21 +根據下式來確定夂+(T。其中P是信號傳播速度，。"'是所述第一到達時間差的第一測量噪聲功率， "，("是在所述第一時間所述發射器的地理位置的估算與所述第二衛星之間的 距離，S2(,。)是在所述第一時間所述第二衛星的位置，^""是在所述第一時間基準發射器的位置與所述第二衛星之間的距離，《是所述第二衛星的位置誤 差功率，；"'")是在所述第一時間所述發射器的地理位置的估算與所述第一衛雖之間的距離，s'(。是在所述第一時間所述第一衛星的位置，^("是在所述第 一時間基準發射器的位置與所述第一衛星之間的距離，以及《是所述第一 衛星的位置誤差功率。
4. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一到達時間差判定中的 第一測量噪聲功率的增加造成所述第一權重的減少。
5. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一衛星的第一位置誤差 功率的增加或所述第二衛星的第二位置誤差功率的增加造成所述第一權重的 減少。
6. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第 四權重中的至少一個取決于測量噪聲的量、衛星的位置或速度、以及衛星的位置或速度中的誤差的至少-水
7. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第 四權重取決于所述發射器的地理位置的估算。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括基于從由所述第一和第 二到達時間差組成的組中選擇的至少一個并基于從由所述第一和第二到達頻率差組成的組中選擇的至少一個來確定所述發射器位置的初步估算，其中所述 初步估算被用作所述權重所基于的所述發射器的地理位置的估算。
9. 一種從各自來自不同時間的兩個到達時間差測量和兩個到達頻率差測 量中確定發射器的地理位置的方法，所述方法包括確定從所述發射器通過第一衛星分程傳送的第一信號與通過第二 衛星分程傳送的所述第一信號之間的第一到達時間差，其中所述第一信 號是在第一時間接收的；確定從發射器通過所述第一衛星分程傳送的第二信號與通過第三 衛星分程傳送的所述第二信號之間的第二到達時間差，其中所述第二信 號是在第二時間接收的，所述第二時間與所述第一時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第三信號與通過所述第二衛星 分程傳送的所述第三信號之間的第一到達頻率差，其中所述第三信號是 在第三時間接收的，所述第三時間與所述第一時間和所述第二時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第四信號與通過所述第三衛星 分程傳送的所述第四信號之間的第二到達頻率差，其中所述第四信號是 在第四時間接收的，所述第四時間與所述第一時間、所述第二時間、以 及所述第三時間不同；從通過所述第一衛星分程傳送的第一校準信號與通過所述第二衛 星分程傳送的所述第一校準信號之間的第三到達時間差來確定第一校準 因子，其中所述第一校準信號是在所述第一時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第二校準信號與通過所述第三衛 星分程傳送的所述第二校準信號之間的第四到達時間差來確定第二校準 因子，其中所述第二校準信號是在所述第二時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第三校準信號與通過所述第二衛 星分程傳送的所述第三校準信號之間的第三到達頻率差來確定第三校準 因子，其中所述第三校準信號是在所述第三時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第四校準信號與通過所述第三衛 星分程傳送的所述第四校準信號之間的第四到達頻率差來確定第四校準 因子，其中所述第四校準信號是在所述第四時間接收的；從所述第一到達時間差中減去所述第一校準因子來生成經校準的 第--到達時間差；從所述第二到達時間差中減去所述第二校準因子來生成經校準的 第二到達時間差；從所述第一到達頻率差中減去所述第三校準因子來生成經校準的 第--到達頻率差；從所述第二到達頻率差中減去所述第四校準因子來生成經校準的 第二到達頻率差；確定所述經校準的第一到達時間差中的第一誤差；確定所述經校準的第二到達時間差中的第二誤差；確定所述經校準的第一到達頻率差中的第三誤差；確定所述經校準的第二到達頻率差中的第四誤差；確定所述第一誤差的第一權重；確定所述第二誤差的第二權重；確定所述第三誤差的第三權重；確定所述第四誤差的第四權重；以及基于應用于所述第一誤差的平方的所述第一權重、應用于所述第二 誤差的平方的所述第二權重、應用于所述第三誤差的平方的所述第三權 重、以及應用于所述第四誤差的平方的所述第四權重的組合來最小化加 權誤差函數以確定所述發射器的地理位置。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、和 第四校準信號由具有已知位置的基準發射器發射。
11. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、和 第四權重基于所述基準發射器的已知位置。
12. 如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一、第二、第三、和 第四權重取決于在所述發射器的位置的估算，所述基準發射器的已知位置，以 及所述第一、第二、和第三衛星的位置和速度之間的局部化幾何結構。
13. -種用于從各自來自不同時間的兩個到達時間差測量和兩個到達頻率差測量中確定發射器的地理位置的計算機程序產品，所述計算機程序產品被存儲在計算機可讀介質上并且適用于執行以下操作確定從所述發射器通過第一衛星分程傳送的第一信號與通過第二 衛星分程傳送的所述第一信號之間的第一到達時間差，其中所述第一信 號是在第一時間接收的；確定從發射器通過所述第一衛星分程傳送的第二信號與通過第三 衛星分程傳送的所述第二信號之間的第二到達時間差，其中所述第二信 號是在第二時間接收的，所述第二時間與所述第一時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第三信號與通過所述第二衛星 分程傳送的所述第三信號之間的第一到達頻率差，其中所述第三信號是 在第三時間接收的，所述第三時間與所述第一時間和所述第二時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第四信號與通過所述第三衛星 分程傳送的所述第四信號之間的第二到達頻率差，其中所述第四信號是 在第四時間接收的，所述第四時間與所述第一時間、所述第二時間、以 及所述第三時間不同；確定所述第一到達時間差中的第一誤差；確定所述第二到達時間差中的第二誤差；確定所述第一到達頻率差中的第三誤差；確定所述第二到達頻率差中的第四誤差；確定所述第一誤差的第一權重；確定所述第二誤差的第二權重；確定所述第三誤差的第三權重；確定所述第四誤差的第四權重；以及基于應用于所述第一誤差的平方的所述第-一權重、應用于所述第二 誤差的平方的所述第二權重、應用于所述第三誤差的平方的所述第三權 重、以及應用于所述第四誤差的平方的所述第四權重的組合來最小化加 權誤差函數以確定所述發射器的地理位置。
14.如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，最小化加權誤差<formula>formula see original document page 7</formula>，其中~2|是所述第—權重的函數包括最小化"2' 2'"' 倒數，"""是所述第二權重的倒數，^'是所述第三權重的倒數，^'是所述第 四權重的倒數，、'是所述第一誤差，、是所述第二誤差，^'是所述第三誤差， ^'以及是所述第四誤差。
15.如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，"^是所述第一 權 重 的 倒 數 且 根 據 下 式 來 確 定<formula>formula see original document page 7</formula>其中p是信號傳播速度，。"'是所述第一到達時間差的第一測量噪聲功率， 'Vwu是在所述第一時間所述發射器的地理位置的估算與所述第二衛星之間的距離，s^")是在所述第一時間所述第二衛星的位置，""""是在所述第--時間 基準發射器的位置與所述第二衛星之間的距離，《是所述第二衛星的位置誤 差功率，^'('")是在所述第一時間所述發射器的地理位置的估算與所述第一衛 星之間的距離，s'("是在所述第一時間所述第一衛星的位置，^w是在所述 第一時間基準發射器的位置與所述第一衛星之間的距離，《是所述第一衛星 的位置誤差功率。
16.如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一到達時 間差判定中的第一測量噪聲功率的增加造成所述第一權重的減少。
17.如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第-一衛星的 第-…位置誤差功率的增加或所述第二衛星的第二位置誤差功率的增加造成所 述第-權重的減少。
18. 如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一、第二、 第三、和第四權重中的至少一個取決于測量噪聲的量、衛星的位置或速度、以 及衛星的位置或速度中的誤差的至少一個。
19. 如權利要求13所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一、第二、 第三、和第四權重取決于所述發射器的地理位置的估算。
20. 如權利要求19所述的計算機程序產品，其特征在于，還包括基于從由 所述第一和第二到達時間差組成的組中選擇的至少一個并基于從由所述第一和第二到達頻率差組成的組中選擇的至少一個來確定所述發射器位置的初步估算，其中所述初步估算被用作所述權重所基于的所述發射器的地理位置的估算。
21. —種用于從各自來自不同時間的兩個到達時間差測量和兩個到達頻率差測量中確定發射器的地理位置的計算機程序產品，所述計算機程序產品被存儲在計算機可讀介質上并且適用于執行以下操作確定從所述發射器通過第一衛星分程傳送的第一信號與通過第二衛星分程傳送的所述第一信號之間的第一到達時間差，其中所述第一信號是在第一時間接收的；確定從發射器通過所述第一衛星分程傳送的第二信號與通過第三衛星分程傳送的所述第二信號之間的第二到達時間差，其中所述第二信號是在第二時間接收的，所述第二時間與所述第 一 時間不同；確定通過所述第一衛星分程傳送的第三信號與通過所述第二衛星分程傳送的所述第三信號之間的第-一到達頻率差，其中所述第三信號是在第三時間接收的，所述第三時間與所述第一時間和所述第二時間不同；確定通過所述第- 衛星分程傳送的第四信號與通過所述第三衛星分程傳送的所述第四信號之間的第二到達頻率差，其中所述第四信號是在第四時間接收的，所述第四時間與所述第一時間、所述第二時間、以及所述第三時間不同；從通過所述第一衛星分程傳送的第一校準信號與通過所述第二衛星分程傳送的所述第一校準信號之間的第三到達時間差來確定第一校準因子，其中所述第一校準信號是在所述第一時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第二校準信號與通過所述第三衛星分程傳送的所述第二校準信號之間的第四到達時間差來確定第二校準因子，其中所述第二校準信號是在所述第二時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第三校準信號與通過所述第二衛星分程傳送的所述第三校準信號之間的第三到達頻率差來確定第三校準因子，其中所述第三校準信號是在所述第三時間接收的；從通過所述第一衛星分程傳送的第四校準信號與通過所述第三衛星分程傳送的所述第四校準信號之間的第四到達頻率差來確定第四校準因子，其中所述第四校準信號是在所述第四時間接收的；從所述第一到達時間差中減去所述第一校準因子來生成經校準的第一到達時問差從所述第二到達時間差中減去所述第二校準因子來生成經校準的第二到達時間差；從所述第一到達頻率差中減去所述第三校準因子來生成經校準的第一到達頻率差；從所述第二到達頻率差中減去所述第四校準因子來生成經校準的第二到達頻率差；確定所述經校準的第 一 到達時間差中的第 一 誤差；確定所述經校準的第二到達時間差中的第二誤差；確定所述經校準的第一到達頻率差中的第三誤差；確定所述經校準的第二到達頻率差中的第四誤差；確定所述第 一誤差的第 一權重；確定所述第二誤差的第二權重；確定所述第三誤差的第三權重；確定所述第四誤差的第四權重；以及基于應用于所述第 一誤差的平方的所述第一權重、應用于所述第二誤差的平方的所述第二權重、應用于所述第三誤差的平方的所述第三權重、以及應用于所述第四誤差的平方的所述第四權重的組合來最小化加權誤差函數以確定所述發射器的地理位置。
22. 如權利要求21所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四校準信號由具有已知位置的基準發射器發射。
23. 如權利要求22所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四權重基于所述基準發射器的已知位置。
24.如權利要求22所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一、第二、第三、和第四權重取決于在所述發射器的位置的估算，所述基準發射器的己知位置，以及所述第一、第二、和第三衛星的位置和速度之間的局部化幾何結構。
全文摘要
各實施例提供了用于基于加權最小二乘估算來確定地球上的發射器的地理位置的系統和方法，該加權最小二乘估算基于兩個TDOA和兩個FDOA測量，這兩個TDOA和兩個FDOA測量都無須被同時獲取。確定這四個TDOA和FDOA測量和每一測量中的誤差。確定TDOA和FDOA測量中的誤差的權重，且將這些權重應用于加權誤差函數。這些權重解決了測量中的誤差和衛星位置和速度中的誤差，且取決于局部化幾何結構。最小化該加權誤差函數來確定未知發射器的位置估算。
文檔編號G01S3/02GK101680940SQ200880011666
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月11日 優先權日2007年4月13日
發明者D·K·C·何, J·C·楚, M·L·唐尼 申請人:長聯通訊技術公司