使用衛星信號來確定地球上的發射器的地理位置解的制作方法

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專利名稱：使用衛星信號來確定地球上的發射器的地理位置解的制作方法
使用衛星信號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
用三個衛星S,、 S2和S3來定位。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禾口S3
將信號114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s,到地面站120與信 9 U2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《,。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c/3i。
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
8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,、 &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，所以通過衛星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33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 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。同樣，存在對在TDOA測量和FDOA測量不一定來自相同衛星對的情況下準確地確定發射器的位置的系統和方法的需要。
概述
本發明的各實施例提供了用于使用對來自三顆衛星的、不在同樣時刻獲取的信號的到達時間差(TDOA)測量來確定地球上的發射器的地理位置的系統和方法。使用虛擬主衛星位置來確定閉形TDOA-TDOA解以獲得發射器位置的初始估算。使用泰勒級數技術來改善該解估算。
在本發明的另一實施例中，發射器的位置可以使用一個TDOA測量和一個到達頻率差(FDOA)測量來確定，其中不要求TDOA和FDOA測量來自在同一時刻獲取的信號且不必來自相同的衛星對。使用虛擬主衛星位置來確定閉形丁DOA — FDOA解以獲得發射器位置的初始估算。使用泰勒級數技術來改善
該解估算。
在本發明的另一實施例中，發射器的位置可以從自兩個TDOA測量和兩個FDOA測量中導出的六個解的組合中確定。從每一測量中，可以定義表示發射器的可能位置的三維曲面。這些曲線中的任何兩條在地球表面的交點即是解。基于四個測量的所有組合來確定六個解。基于形成每一解的兩條曲線的交角來確定該解的權重值。在一個實施例中，權重值遵循交角越大權重越大的一般規則。將該解和權重值相結合以確定成本函數。最小化該成本函數來確定發射器的準確位置。
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。
附圖簡述
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--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s,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。
圖4是根據一個實施例的確定發射器的位置的方法的流程圖。
圖5A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，其中每一曲線包括噪聲。
圖5B示出了根據一個實施例的具有噪聲的兩條FDOA曲線的交點與實際發射器位置之間的距離。
圖6示出了根據一個實施例的兩條曲線在地球表面上的交角的示例。
圖7A示出了根據一個實施例的在兩條曲線存在測量噪聲和衛星誤差的情況下發射器的估算位置與真實發射器位置的偏差的示例。
圖7B示出了根據一個實施例的在兩條曲線存在測量噪聲和衛星誤差的情況下發射器的估算位置與真實發射器位置的偏差的另一示例。
各附圖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，E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y山衛星S卜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s,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/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，其被表示為&,。注意，獲得^/21和"31的信號114不是在同一時刻獲取的，從而
導致對應f "2,和^的衛星的位置不是相同的。因為未知發射器I10在地球上，
所以由c/2l和《,定義的兩條曲線在地球表面101上的交點形成該發射器位置的估算。
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，所以通過衛星S,、 S2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32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來減小衛星的位宵和速度誤差在發射器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。
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-h，^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《， ^和<=
、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" +As' =[&J''z'f和速度、=s +△、 =[i"j>'、^f可用，其中As;和A、表示
—R星位置和速度中的誤差。使用等于^T的As'的協方差矩陣和等于^^勺"' 的幼、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'^^gf。兩個向量p和q之間的歐幾里德距離應由"p，q = |P - q|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: <formula>formula see original document page 12</formula>(1)
<formula>formula see original document page 12</formula>
(2)
其中*i ('")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TDOA，而^i(")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TDOA。'。和^是收集生成兩個TDOA的信號的時亥ij，且在一個實施例中。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"，21和"，31是隨機測量噪聲。 "，2|和"'31可以具有不同的功率，但在此示例中，為方便說明假定它們具有等 f ^的相同功率。等式(1)定義發射器110所在的雙曲面。等式(l)的左側(即 "2'(《'))從測量中確定，而右側指示"21(~)如何相關于發射器110的未知位置
u。類似地，等式(2)基于另一TDOA測量^i(")定義發射器IIO所在的另一雙曲面。圖2示出了根據一個實施例的從^iG")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
猛卜f (p,"(,/s""-p"'(,/s;'(")-士(/" p^/饑)-人p"C;'(")"/.""",:」
(3)
(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/w^)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,c不等于Q。更具體地，在一個實施例中，時刻^表示其間測量通過衛星Sl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。A是在衛星
處接收到的信號114的上行鏈路中心頻率，/s.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，~，2'&)和6/.3^)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。s/，"和f/，"可以具有不同的功率，但在此示例中，為方便說明
假定它們具有等于。,的相同功率。等式(3)和(4)從FDOA測量定義發射器110 所在的另兩個表面。圖1還示出基準發射器130。令e-[&，^zc]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，以使乂,("、 c核)、y2,(0以及e/3,("也是可用的。除了U被替換為C且隨機噪聲"'21、 V，"和吖，w不同外，這些表達式具有與在等式
(1)-(4)中給出的樣)、^")、 /21("和/31(。)相同的形式。隨后如下式使用
CW(,)、 CJ31(")、 ^(0以及7^(。)形成校準因子
UU-7(r一 -r一
(5)
C,3, (" = e4, (" - * 、、3 (,6) - 、S|仏),
(6)
(7)
(8)
其中'/'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。用于求解未知發射器位置的等式是
"2i(,。W2,(U_Q2,(/a)
一l 一
(9)
14<formula>formula see original document page 15</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)。
如上所討論的，等式(5)-(8)中的每一等式根據相應測量定義未知發射器10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。圖3A不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。如閣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110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542K5431的交點的位置的示例，其中每一曲線5221、5231、5421 、 5431包括噪聲。因此，這些曲線的交點是發射器110的真實位置的估算。圖4是根據一個實施例的確定發射器的位置的方法400的流程圖。在步驟402，確定基于四個經校準的TDOA和FDOA測量中的兩個的所有四種組合的個。來自兩個測量的任何組合的可能解的數量是六。這些可能
使用等式(9)和(10)從J21和《,中獲得的解
使用等式(9)和(11)從^/21和/21中獲得的解
使用等式(9)和(12)從d2l和/31中獲得的解
使用等式(10)和(1 l)從J31和/21中獲得的解
使用等式(10)和(12)從J31和/31中獲得的解
使用等式(l 1)和(12)從/21和/31中獲得的解。這些解落入三種類別中TDOA-TDOA、 TDOA-FDOA、禾卩FDOA-FDOA。以
下描述根據---個實施例的用于求解每一類別的解的方法。
I. TDOA-TDOA解u"'
尋找TDOA-TDOA解^2'，《'的傳統技術要求生成d21和c/31的信號是在同一時刻獲取的，即纟。=^。在實際應用中，這些信號是在不同時刻獲得的。以下TDOA-TDOA解不要求或假設這些信號是在同一時刻獲取的。
首先，將虛擬主衛星位置指定為
(13)
該虛擬主衛星位置用于根據作為參考被合并于此的K. C. Ho和Y. T. Chan
/、個解中的每-
"'、"':
、"'.
16的 "Geolocation of a known altitude object from TDOA and FDOAmeasurements", IEEE航空航天與電子系統匯刊，33巻，770-783頁，1997年7月("Ho禾Q Chan")所使用的技術來確定閉形TDOA-TDOA發射器110位置解。隨后通過使用ds^。)A("))作為三個衛星位置并使用(《'("，《'(")作為兩個TDOA來應用由Ho和Chan所描述的該閉形解方法以獲得初始估算fi(W。
隨后，將該初始解^o)用于在作為參考被整體合并到本文中的W. H. Foy的"Position-location solutions by Taylor-series estimation (使用泰革力級數估算的位置-場所解)"，IEEE航空航天與電子系統匯刊，AES-12巻，187-194頁，1976年3月("Foy")中所述的泰勒級數技術中，以通過對/=0、 1、 2
迭代來改善解估算
5u
.7"
(14)
(5)
直到足夠小，例如0.01米，且^是發射器110的位置周圍的地球半徑，
在--個實施例中等式(14)獲得發射器U0位置估算的糾正量。在實踐中，在一個實施例中一到三次迭代就足夠了。等式(15)通過將從等式(14)計算所得的糾正分量加到該解上來形成更好的發射器110位置估算。
II.TDOA-FDOA解、"'、，"'、和
尋找TDOA-FDOA解的傳統技術要求獲得TDOA和FDOA的信號是在同一時刻獲取的，且TDOA和FDOA來自相同的衛星對。這意味著，例如，為
使用Ho和Chan的技術，在求解^2'，A'時要求^ =~ ，且在求解u^"'時要求
"=^。在實際應用中，TDOA和FDOA通常也不是在三個衛星系統中在同一
時刻測量的。此外，Ho和Chan的技術未公開獲得解^"'和^3'，/2'的方法，
因為用于這些解的TDOA和FDOA來自兩個不同的衛星對。以下TDOA-FDOA
解不要求或假設這些信號是在同一時刻獲取的，且它可用于求解所有四個解 rf2l../2l 、 ^21，/31、、VA以及^",幾。
在本發明的--個實施例中，求解TDOA-FDO々解的方法遵循與以上所討論的TDOA-TDOA解中的方法相似的方法。從對)中尋找解，其中/，乂=2或3。第--步是形成虛擬主衛星位置
(16)
其中如果/=2則& =、如果/=3則r'="，如果產2則
J 一(C
，如果產3則
該虛擬主衛星位置用于根據由Ho和Chan使用的技術來確定閉形TDOA-FDOA發射器 U0位置解。通過使用"'s'("，Sv(。))作為三個衛星位置并使用Ui")，力 ))作為TDOA和FDOA來應用來自Ho和Chan的該閉形解，以獲得初始估算1^)。
隨后，將該初始解^<))用于由？(^所述的泰勒級數技術以通過對/ = 0、 1、2……迭代來改善解估算。
<formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 19</formula>(18)
直到
足夠小，例如0.01米，且^是發射器110的位置周圍的地球半徑。在一個實施例中，等式(17)獲得發射器110位置估算的糾正量。在實踐中，在一個實施例中，一到三次迭代就足夠了。等式(18)通過將從等式(17)計算所得的糾正分量加到該解來形成更好的發射器110位置估算。
III.FDOA —FDOA解"2"'
FDOA-FDOA解遵循由Foy所述的泰勒級數技術，其中初始解猜測從 ^"i、 ^2"'、 ^"^和^'，/"四個中的任何一個選擇。隨后，在Foy所述的
泰勒級數技術中將所選初始解猜測用作^W以通過對/二0、 1、 2……迭代來改
善解估算。
,'^(/..:>門)w '、(t)
.烏)
馬
、"
(19)
(20)
(/+"
直到—足夠小，例如0.01米，且^是發射器110的位置周圍的地球半徑。在一個實施例中，等式(19)獲得發射器110位置估算的糾正量。在實踐中，在一個實施例中，一到三次迭代就足夠了。等式(20)通過將從等式(19)計算所得的糾正分量加到該解來形成更好的發射器110位置估算。
八
-水
用作未知發射器110的位置的估算
、，/31 、和u屯,/"中的任一個可被
由于測量中的誤差，這些解中的任何一
19個都可能不是未知發射器110的真實位置的完全準確的預測值，但它可以對本
發明的各種應用來說足夠準確。在其它實施例中，可以如下所述通過組合來自
解^:'A、、》c/2l'/2l、 ^:1'/31、 ^'^以及、^的估算來尋找發射器iio
的真實位置的更準確的估算。
回頭參考圖4，在方法400的下一步404中，基于交角為每一解確定權重值。如圖5A所示，每一解""、fi"、、',2'、、"'、、"表
示兩條曲線5221、 5231、 5421、 5431的交點。對六個單獨的解中的每一個，確定兩條曲線在地球表面上交角。圖6示出了根據一個實施例的兩條曲線601、 602在地球表面101上的交角的示例。使用測量A和B時的交角被表示為""，且它是0到90度之間的角度。每一解的權重值，被表示為^'8，作為角度^』的函數來推導。在一個實施例中，該函數關系是使得交角越大，權重值越大。在-個實施例中，該權重還滿足所有六個權重之和等于單位一的條件。
參考圖7A和7B來解釋交角越大，權重值越大的函數關系。圖7A示出以小角度相交的兩條曲線5771、 5772的示例。圖7B示出以較大角度相交的兩條曲線5771、 5772的示例。測量以及衛星位置和速度中的誤差干擾地球表面上的曲線771和772，從而導致它們被測量為5771和5772。因此，來自因誤差而變形的曲線的發射器位置的估算是在位置710處，而真實發射器位置是在發射器110處。這是由于測量和衛星誤差所造成的偏差，該偏差可被示為曲線771 與曲線5771之間的距離770、以及曲線772與5772之間的距離770。在圖7A 和7B所示的示例中，測量和衛星誤差所造成的偏差770對于曲線771和772 兩者是相同的。在其它示例中，該偏差可能不是相同的。注意，盡管由于誤差 770而引起的偏差量對圖7A和7B兩者都是相同的，但是對于發射器位置估算 710離真實發射器位置110多遠的影響在圖7A與7B之間有很大的不同。如這些圖所示，由以較大角度相交的兩條曲線5771和5772所作出的發射器位置估 -黨710比由以小角度相交的兩條曲線5771和5772所作出的發射器位置估算 710更接近真實發射器位置110。結果，將更多權重,'s給予其中角度^』較
大的解來更注重其單獨的解具有較大交角的距離。
有許多對滿足交角越大權重值越大的函數關系的一般規則的加權方案的可能選擇。例如，在一個實施例中，令^力為使用測量A和B的單獨的發射器位置估算，并令a力，s為由測量A和B所創建的兩條曲線在地球表面上的交角。在各個實施例中，加權v^^的可能選擇是
vt"fl= sin(a^) w,4,fl= sin2(0^) wAS= sqrt ( sin(aAs))
加權vUb的選擇可以取決于地理位置幾何形狀、TDOA和FDOA測量中的噪聲功率、測量中的衛星位置和速度中的誤差量、以及其它因素。
再次參考圖4，在方法400的步驟404中基于交角確定了每一解的權重值之后，在步驟406中將解和權重值相組合來確定成本函數。可以將解和權重值相組合來如下從成本函數確定成本丄
(21)
其中權重"'"UJ如上所述作為角度^，S的函數推導。該平方絕對值項代表了由四
個TDOA和FDOA測量中的兩個所找到的解之間的誤差。例如，圖5B示出了根據一個實施例的具有噪聲的兩條FDOA曲線5431、 5421的交點、w與實際發射器位置110之間的距離。表達式lu-、"'"f代表了兩條FDOA曲線的解與實際發射器10位置之間的誤差。在步驟406中，將在步驟404中確定的解的權重中的每一個應用于解的測量中的誤差以確定成本函數。
在步驟408，將該成本函數最小化來確定未知發射器110的位置。換言之，將最小化該成本函數的u的值確定為發射器110的位置。該確定的位置表示由來自三顆衛星s,、 32和53的組合的所有TDOA和FDOA測量所告知的估算。因此，在一個實施例中，從來自四個TDOA和FDOA測量的六個單獨發射器
位置解中HT以獲得比通過考慮解的較小子集而達到的更準確的發射器位置估算。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；由單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，或在采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算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吉，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j i二旨在說明而一夂限制在以下權利要求中闡述的本發明的范圍。
權利要求
1.一種從來自不同時間的兩個到達時間差測量來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在觀察者處的第一到達時間差，其中所述第一信號是在第一時間在所述觀察者處接收的；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在所述觀察者處的第二到達時間差，其中所述第二信號是在第二時間在所述觀察者處接收的，所述第二時間與所述第一時間不同；以及基于所述第一和第二到達時間差來確定所述發射器的地理位置。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括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在所述觀察者處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在所述觀察者處接收的；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第二校準信號之間在所述觀察者處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在所述觀察者處接收的；從所述第一到達時間差中減去所述第一校準因子并從所述第二到達時間差中減去所述第二校準因子來減小衛星位置和速度誤差對所確定的發射器的地理位置的影響。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述第一和第二到達時間差來確定所述發射器的地理位置包括基于對所述第一和第二到達時間差的閉形解將泰勒級數估算應用于所述發射器的地理位置的初始估算。
4. 一種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在觀察者處的第一到達時間差；確定從所述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在觀察者處的第一到達頻率差；以及基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一信號是在第一時間在所述觀察者處接收的，且所述第二發射器信號是在第二時間在所述觀察者處接收的，所述第二時間與所述第一時間不同。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，還包括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在觀察者處的第二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在所述觀察者處接收的；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在所述觀察者處的第二到達頻率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在所述觀察者處接收的；從所述第一到達時間差中減去所述第一校準因子并從所述第一到達頻率差中減去所述第二校準因子來減小衛星位置和速度誤差對所確定的發射器的地理位置的影響。
7. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置包括基于對所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差的閉形解將泰勒級數估算應用于所述發射器的地理位置的初始估算。
8. —種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在觀察者處的到達時間差，其中所述第一信號是在第一時間在所述觀察者處接收的；確定從所述發射器通過所述第一衛星分程傳送的第二信號與通過所述第二衛星分程傳送的所述第二信號之間在所述觀察者處的第一到達頻率差，其中所述第二發射器信號是在第二時間在所述觀察者處接收的，所述第二時間與所述第-時間不同；以及基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，還包括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在所述觀察者處的第二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在所述觀察者處接收的；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二衛星分程傳送的所述第—校準信號之間在所述觀察者處的第二到達頻率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在所述觀察者處接收的；從所述第-一到達時間差中減去所述第一校準因子并從所述第一到達頻率差中減去所述第二校準因子來減小衛星位置和速度誤差對所確定的發射器的地理位置的影響。
10. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置包括基于對所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差的閉形解將泰勒級數估算應用于所述發射器的地理位置的初始估算。
11. 一種確定通過至少三顆衛星分程傳送到觀察者的發射器的地理位置的方法，所述方法包括確定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在所述觀察者處的第一到達時間差；確定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在所述觀察者處的第二到達時間差；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在所述觀察者處的第一到達頻率差；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在所述觀察者處的第二到達頻率差；從所述第一到達時間差和所述第二到達時間差中確定第一解；從所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差中確定第二解；從所述第一到達時間差和所述第三到達頻率差中確定第三解；從所述第二到達時間差和所述第一到達頻率差中確定第四解；從所述第二到達時間差和所述第二到達頻率差中確定第五解；從所述第一到達頻率差和所述第二到達頻率差中確定第六解；以及基于所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解和第六解來確定所述發射器的地理位置。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，確定所述發射器的地理位置包括最小化所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解的成本函數。
13. 如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一到達時間差、所述第二到達時間差、所述第一到達頻率差、以及所述第二到達頻率差各自都定義相應的曲線，且其中所述第-一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解中的每一解都位于相應曲線中的兩條的交點，且其中所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解中的每一解按照一權重值來加權以形成所述成本函數，所述權重值被確定為所述解所在的兩條曲線的交角的函數。
14. 如權利要求13所述的方法，其特征在于，對應于位于具有較大交角的兩條曲線的交點的解的權重值比對應于位于具有較小交角的兩條曲線的交點的解的權重值更大。
15. -—種用于從來自不同時間的兩個到達時間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在觀察者處的第一到達時間差，其中所述第一信號是在第 -時間在所述觀察者處接收的；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在所述觀察者處的第二到達時間差，其中所述第二信號是在第二時間在所述觀察者處接收的，所述第二時間與所述第一時間不同；以及基于所述第一和第二到達時間差來確定所述發射器的地理位置。
16. —種用于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在觀察者處的第一到達時間差；確定從所述發射器通過所述第-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在觀察者處的第一到達頻率差；以及基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置。
17. —種用于確定發射器的地理位置的計算機程序產品，所述計算機程序被存儲在計算機可讀介質上并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在觀察者處的第一到達時間差，其中所述第一信號是在第一時間在所述觀察者處接收的；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所述第二衛星分程傳送的所述第二信號之間在所述觀察者處的第一到達頻率差，其中所述第二發射器信號是在第二時間在所述觀察者處接收的，所述第二時間與所述第 "時間不同；以及基于所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差來確定所述發射器的地理位置。
18. —種用于確定通過至少三顆衛星分程傳送到觀察者的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適用于執行以下操作確定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- -信號之間在所述觀察者處的第一到達時間差；確定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在所述觀察者處的第二到達時間差；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在所述觀察者處的第一到達頻率差；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在所述觀察者處的第二到達頻率差；從所述第-一到達時間差和所述第二到達時間差中確定第一解；從所述第一到達時間差和所述第一到達頻率差中確定第二解；從所述第一到達時間差和所述第三到達頻率差中確定第三解；從所述第二到達時間差和所述第一到達頻率差中確定第四解；從所述第二到達時間差和所述第二到達頻率差中確定第五解；從所述第一到達頻率差和所述第二到達頻率差中確定第六解；以及基于所述第--解、第二解、第三解、第四解、第五解和第六解來確定所述發射器的地理位置。
19. 如權利要求18所述的計算機程序產品，其特征在于，確定所述發射器的地理位置包括最小化所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解的成本函數。
20. 如權利要求19所述的計算機程序產品，其特征在于，所述第一到達時間差、所述第二到達時間差、所述第一到達頻率差、以及所述第二到達頻率差各自都定義一相應的曲線，且其中所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解中的每一解都位于所述相應曲線中的兩條的交點處，且其中所述第一解、第二解、第三解、第四解、第五解、和第六解中的每--解按照一權重值來加權以形成所述成本函數，所述權重值被確定為所述解所在的兩條曲線的交角的函數。
21. 如權利要求20所述的計算機程序產品，其特征在于，對應于位于具有較大交角的兩條曲線的交點的解的權重值比對應于位于具有較小交角的兩條曲線的交點的解的權重值更大。
全文摘要
各實施例提供用于確定地球上的發射器的地理位置的系統和方法。從無需同時獲取的兩個TDOA測量中獲得解。從無需同時獲取且無需來自相同的衛星對的TDOA測量和FDOA測量中獲得解。可以通過最小化從兩個TDOA測量和兩個FDOA測量中導出的六個解的加權組合的成本函數來確定發射器的位置，其中該組合中的每一解的權重基于兩條曲線的交角來確定，該兩條曲線基于TDOA和/或FDOA測量來定義發射器的可能位置。
文檔編號H04B7/185GK101682394SQ200880011665
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

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