專利名稱：采用雙向測距確定通訊衛(wèi)星位置的方法和系統(tǒng)的制作方法
本申請與下述美國專利申請有關(guān)，序列號(hào)為08/803,935，申請日為1997年2月21日，名稱為“在復(fù)靜態(tài)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中采用雙向測距確定收發(fā)機(jī)位置的方法和系統(tǒng)(Method And System For Determining A Position Of ATransceiver Unit Utilizing Two-Way Ranging in a Polystatic SatelliteConfiguration)”。
本發(fā)明涉及通過多個(gè)收發(fā)機(jī)采用雙向測距確定通訊衛(wèi)星位置的方法和系統(tǒng)。
目前的自動(dòng)跟蹤監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance，ADS)技術(shù)，例如全球定位系統(tǒng)(GPS)，寬域增廣系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System，WAAS)或GLONASS，利用衛(wèi)星傳送提供定位信息。例如，由美國國防部開發(fā)和部署的GPS包括在12,000英里高度每日環(huán)繞地球兩次運(yùn)行的24顆衛(wèi)星，以及用于監(jiān)控衛(wèi)星分布的5個(gè)地面基站。利用原子時(shí)鐘和定位數(shù)據(jù)，GPS衛(wèi)星每天24小時(shí)地向GPS接收機(jī)傳送連續(xù)的時(shí)間和位置信息，而GPS接收機(jī)一次監(jiān)聽四個(gè)以上的衛(wèi)星以確定用戶的位置。通過計(jì)量衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間間隔，GPS接收機(jī)計(jì)算出用戶與各衛(wèi)星之間的距離，然后根據(jù)至少四個(gè)衛(wèi)星的距離測量值計(jì)算出其位置。
然而在這種系統(tǒng)中，采用了單向測距，其中各基站需要精確的同步時(shí)鐘信號(hào)。任何同步誤差或者有關(guān)某一衛(wèi)星位置的誤差都會(huì)導(dǎo)致對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)物體定位的誤差。
任何類型基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)都必須將其測距衛(wèi)星的位置和速度確定至極高精度。對于任何衛(wèi)星，其位置和速度的確定都是位置保持功能的關(guān)鍵部分，即使該衛(wèi)星不是導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。
在一種公知系統(tǒng)中，需要衛(wèi)星與其所有地面基站保持同時(shí)聯(lián)系以獲得位置信息。然而，這對于相對于地球運(yùn)動(dòng)的非同步軌道衛(wèi)星并不總是可能的，從而周期性地失去與地球表面任意給定點(diǎn)的聯(lián)系。
因而本發(fā)明的基本目的在于提供一種采用雙向測距確定通訊衛(wèi)星位置的方法和系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的及其他目的、特色和優(yōu)點(diǎn)，提供了一種用于在通訊網(wǎng)絡(luò)中確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)的位置的方法，其中通訊網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)第一和第二收發(fā)機(jī)，分別位于地球上的第一和第二已知位置。第一和第二收發(fā)機(jī)用以向所述軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)發(fā)送并從其接收通訊信號(hào)。該方法包括分別確定各第一和第二收發(fā)機(jī)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)之間的第一和第二距離測量值。該方法還包括分別確定與所述第一和第二距離測量值的時(shí)間變化率相對應(yīng)的第一和第二臨近速度。該方法還包括根據(jù)第一距離和第一臨近速度確定一個(gè)表示軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)一組可能位置的交點(diǎn)圓，其中該交點(diǎn)圓具有一個(gè)空間特定取向，一個(gè)特定半徑和一個(gè)相對于第一收發(fā)機(jī)已知位置的特定三維位置處的圓心。并且該方法進(jìn)一步包括根據(jù)第二收發(fā)機(jī)的已知位置和第二距離測量值確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)沿所述交點(diǎn)圓的角位置。最后，該方法包括根據(jù)所述交點(diǎn)圓和所述角位置確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)的位置。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的及其他目的、特色和優(yōu)點(diǎn)，還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)上述方法中各步驟的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一和第二收發(fā)機(jī)，分別位于地球上的第一和第二已知位置。第一和第二收發(fā)機(jī)用以向所述軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)發(fā)送并從其接收通訊信號(hào)。一個(gè)與第一和第二收發(fā)機(jī)之一聯(lián)接的處理器用于分別確定各第一和第二收發(fā)機(jī)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)之間的第一和第二距離測量值。該處理器還用于分別確定與所述第一和第二距離測量值的時(shí)間變化率相對應(yīng)的第一和第二臨近速度。更進(jìn)一步地，該處理器還用于根據(jù)第一距離和第一臨近速度確定一個(gè)表示軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)一組可能位置的交點(diǎn)圓，其中該交點(diǎn)圓具有一個(gè)空間特定取向，一個(gè)特定半徑和一個(gè)相對于第一收發(fā)機(jī)已知位置的特定三維位置處的圓心。該處理器還根據(jù)第二收發(fā)機(jī)的已知位置和第二距離測量值確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)沿所述交點(diǎn)圓的角位置。最后，該處理器根據(jù)所述交點(diǎn)圓和所述角位置確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)的位置。
通過下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施方式的詳細(xì)描述，將容易清楚本發(fā)明的上述目的及其他目的、特色和優(yōu)點(diǎn)。


圖1表示采用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)；圖2表示本發(fā)明含有兩個(gè)測距節(jié)點(diǎn)的幾何平面；
圖3為圖2平面的放大圖；圖4表示沿圖2的X-Y平面上下延伸的交點(diǎn)圓；以及圖5類似于圖3，但加上了x和y單位矢量，以及一個(gè)與位置確定的后續(xù)步驟有關(guān)的以Rq表示的點(diǎn)。
圖1簡要表示了實(shí)施本發(fā)明的典型結(jié)構(gòu)的通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)以數(shù)碼10表示，包括一個(gè)位置(以R0表示)有待確定的目標(biāo)通訊衛(wèi)星12。圖1中該系統(tǒng)10還包括一個(gè)位于位置R1處的主要測距節(jié)點(diǎn)(RN)14，例如衛(wèi)星地面基站，以及位于位置R2和R3處的輔助測距節(jié)點(diǎn)11。在位置R4、R5等處還可以有許多其他輔助RN。這些附加RN在圖1中沒有畫出；但是其工作模式與R2和R3處的RN所述相同。輔助RN可以是含有收發(fā)機(jī)的任何裝置，例如汽車、移動(dòng)電話、飛行器等等，只要其在本發(fā)明操作期間是靜止的。如圖1所示，R0處的衛(wèi)星12與R1、R2、R3等處的所有RN之間的距離表示為a1＝|Ri-R0|，其中i＞0。
例如，停放的商業(yè)飛機(jī)可以用作輔助RN。當(dāng)商業(yè)飛機(jī)停放在機(jī)場口時(shí)，其領(lǐng)航員將該飛機(jī)的精確位置輸入機(jī)艙導(dǎo)航系統(tǒng)中。該信息使得其慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以校正偏移和累積位置誤差。只要飛機(jī)停放在機(jī)場口，就可以高精度地知悉其位置。如果它裝有適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)機(jī)，則可以用作位置R2或R3處的輔助RN。如果如此裝備大量的飛機(jī)，并且在任一給定時(shí)刻其中相當(dāng)部分停放在機(jī)場口，則R0處的衛(wèi)星12可以利用這些R2和R3處的停放飛機(jī)作為RN。
R1、R2、R3等處的RN通過由位置R0處的衛(wèi)星12中繼信息來相互通訊。在本發(fā)明的操作過程中，主要RN14接收兩種特征信號(hào)由衛(wèi)星12廣播的測距代碼，以及同樣由衛(wèi)星12轉(zhuǎn)發(fā)但是由輔助RN11初發(fā)的回答代碼。位于R1處主要RN14處的處理器16對這兩種信號(hào)加以甄別，并進(jìn)行為確定衛(wèi)星12位置所需的計(jì)算。
衛(wèi)星12的位置根據(jù)下列順序步驟加以確定。首先，在一個(gè)精確測定的時(shí)刻，并且以一個(gè)精確測定的載波頻率，R1處的主要RN14向R0處的衛(wèi)星12發(fā)出測距信號(hào)，測距信號(hào)由衛(wèi)星12向所有RN廣播，包括R1處的主要RN14和R2、R3等處的輔助RN11。輔助RN11接著將其特征回答代碼信號(hào)傳送回衛(wèi)星12以便傳送回主要RN14。在接收到測距和回答代碼信號(hào)之后，主要測距節(jié)點(diǎn)14(R1)處的處理器16立即測量測距信號(hào)的載波頻率和到達(dá)時(shí)刻。然后計(jì)算測距代碼的到達(dá)時(shí)刻與其從主要測距節(jié)點(diǎn)14的初始發(fā)送時(shí)刻之差。該時(shí)刻差為傳播時(shí)間，以tp1表示，并且與測距信號(hào)從R1處的主要RN14至R0處的衛(wèi)星12并返回R1的傳輸距離有關(guān)。該距離以D1表示，等于2a1。處理器16還測量所接收的回答代碼信號(hào)的載波頻率與始發(fā)測距代碼的載波頻率之間的差別。處理器根據(jù)該頻率差別計(jì)算多普勒頻移，如下面所述。
在繼續(xù)說明處理器的計(jì)算之前，我們說明一下對通過輔助RN11的信號(hào)所進(jìn)行的測量。如上所述，在接收到測距代碼之后，R2、R3、R4等位置的輔助RN11立即經(jīng)由R0處的衛(wèi)星12向R1處的主要RN14各發(fā)送一個(gè)回答測距信號(hào)。這些回答測距信號(hào)設(shè)計(jì)成單一地指示其所回答的特定測距代碼以及其所由發(fā)出的輔助RN11。然后R1處的處理器16可以確定發(fā)出該特定回答代碼的輔助RN11的位置Ri，其中Ri為該組全部已知輔助RN位置{R2、R3、…}的一個(gè)元素。處理器16還測量各回答信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，并計(jì)算該時(shí)刻與發(fā)出回答信號(hào)的測距代碼的主要測距節(jié)點(diǎn)16的初始發(fā)送時(shí)刻之差。此差值以傳播時(shí)間tpi表示。這樣，所測得的R2、R3等處的輔助RN的往返通訊時(shí)間分別以tp3、tp3等表示。
再參照圖1，我們看到傳播時(shí)間tpi(i＞1)有關(guān)的路徑與tp1和D1有關(guān)的路徑具有不同的形狀。對于i＞1，Di為從R1處的主要測距節(jié)點(diǎn)14，至R0處的衛(wèi)星12，至Ri處的輔助測距節(jié)點(diǎn)11，再返回R0處的衛(wèi)星12，最后返回R1處的主要測距節(jié)點(diǎn)14的路徑長度。取一級近似，對于i＞1，Di＝2(ai+a1)。因?yàn)楹雎粤嗽谛盘?hào)從R0至Ri再返回R0傳播期間衛(wèi)星12移動(dòng)的事實(shí)，所以該等式只是近似的。實(shí)際上，轉(zhuǎn)播從R1至Ri的初始測距信號(hào)時(shí)與轉(zhuǎn)播從Ri至R1的回答信號(hào)時(shí)相比，衛(wèi)星12將會(huì)在一個(gè)不同的位置。我們可以校正此結(jié)果，但是為清楚起見，在該系統(tǒng)的本說明書中我們忽略這一點(diǎn)，但是在最后的實(shí)施例中將不再忽略。
現(xiàn)在我們概括一下其通訊過程，首先將一組頻移及傳播時(shí)間測量值轉(zhuǎn)換成通訊路徑長度(D1、D2、D3等)，然后轉(zhuǎn)換成一組測距(a1、a2、a3等)，最后，轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星12的三維矢量位置。該傳播時(shí)間測量值包括電磁波沿上述路徑的傳輸時(shí)間，以及與信號(hào)的電子探測及重發(fā)有關(guān)的延遲時(shí)間。這些間隔全部由R1處的單個(gè)時(shí)鐘18加以計(jì)量；因此，R2、R3等處的輔助RN不需要時(shí)鐘，圖1中所示系統(tǒng)不存在任何例如全球定位系統(tǒng)(GPS)中的時(shí)鐘偏移誤差。信號(hào)延遲時(shí)間和距離對于與各測量傳播時(shí)間tp1、tp2、tp3等對應(yīng)的路徑，R1處的處理器16計(jì)算出對于所有收發(fā)機(jī)以及沿該路徑的對流層和電離層傳輸?shù)恼麄€(gè)時(shí)間延遲tdi。然后利用td1、td2、td3等的對應(yīng)延遲時(shí)間計(jì)算收發(fā)機(jī)之間的對應(yīng)距離。
電離層和大氣層是信號(hào)路徑中的兩個(gè)部分，它們使信號(hào)速度減慢至低于真空光速，其中真空光速定義為c＝299,792,458米/秒。延遲時(shí)間tdi定義為信號(hào)在第i路徑的傳播時(shí)間減去電磁波在絕對真空中穿過相同長度路徑所需的時(shí)間。假定Di為第i通訊路徑的長度，則Di＝c(tpi-tdi)。延遲時(shí)間是由于電離層、大氣層、發(fā)送機(jī)、接收機(jī)等多種分量的總和，但不會(huì)為負(fù)。
大氣層和電離層信號(hào)延遲已經(jīng)有充分研究，并且已經(jīng)建立了數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測這些延遲時(shí)間分量(例如Black，H.D.，“An Easily ImplementedAlgorithm for the Tropospheric Range Correction，”JOURNAL OFGEOPHYSICAL RESEARCH，vol.83，no.B4，p.1825，(1978)；以及關(guān)于電離效應(yīng)Klobuchar，J.A.，“Design and Characteristics of the GPSIonospheric Time Delay Algorithm for Single Frequency Users，”IEEEPLANS′86；Position Location and Navigation Symposium，Las Vegas，NV，Nov.4，1986，P.280)。
電離層延遲比對流層延遲更難于高精度預(yù)計(jì)，因?yàn)殡婋x層隨時(shí)間的變化更為劇烈。如果特殊的應(yīng)用場合需要最高的可能精度，則系統(tǒng)10將依賴于附加測量而不是固定數(shù)學(xué)模型以便確定電離層的傳播延遲。因?yàn)樵撗舆t反比于無線載波頻率的平方，并且因?yàn)槠潆S位置和時(shí)間變化，所以通過不同的地面參照點(diǎn)和/或以不同的載波頻率對往返信號(hào)傳播時(shí)間的附加測量將提供對電離層的連續(xù)測量，而這對于高精度測距測量是需要的。大量輔助RN的可獲得性提供了進(jìn)一步的信息，可用于確定電離層、對流層、以及通訊路徑中其他信號(hào)延遲源的特性。本發(fā)明比含有很少數(shù)量RN或往返測距站(turn-dround rangingstation)的系統(tǒng)可以更為精確地補(bǔ)償隨時(shí)間變化的對流層和電離層信號(hào)傳播延遲。
類似地估算包括系統(tǒng)天線、發(fā)送機(jī)、和接收機(jī)(包括多路等)在內(nèi)的其他延遲源。對所有關(guān)于第i通訊路徑的估算延遲時(shí)間加以估算，并將其加在一起以得到整個(gè)的估算時(shí)間延遲tdi。然后通過公式Di＝c(tpi-tdi)，利用所有這些延遲時(shí)間td1、td2、td3等計(jì)算相對應(yīng)的通訊路徑長度D1、D2、D3等。
根據(jù)通訊路徑長度D1、D2、D3等，系統(tǒng)10通過公式例如a1＝D1/2和ai＝(Di-D1)/2計(jì)算出距離a1、a2、a3等。如前面所述，最終實(shí)施例中具有比此更復(fù)雜的等式，考慮了在衛(wèi)星12廣播測距信號(hào)與轉(zhuǎn)發(fā)回答信號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。此處忽略其校正以簡化說明。處理器16接著利用這些距離和RN14、11的已知位置(ai和Ri對于i＞0)，通過下述的兩種程序之一計(jì)算衛(wèi)星位置R0。
我們得出兩種確定衛(wèi)星12(三維)矢量位置的算法；一種“三球算法”，采用含有至少三個(gè)地面收發(fā)機(jī)的距離測量值，和一種“距離和臨近速度算法”，采用僅來自兩個(gè)地面收發(fā)機(jī)的距離測量值?！芭R近速度”指的是距離隨時(shí)間的變化率(dai/dt)，由時(shí)間序列的距離測量值和無線信號(hào)的多普勒頻移的測量值結(jié)合得出，下面將簡要說明?！熬嚯x和臨近速度算法”只適用于不在靜地軌道的衛(wèi)星；而“三距算法”適用于靜地或非靜地衛(wèi)星。多普勒頻移如果位置R1的發(fā)送機(jī)以載波頻率f1向位置R0處正在靠近或遠(yuǎn)離的接收機(jī)發(fā)出無線信號(hào)，則接收機(jī)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)探測到不同頻率f0的信號(hào)。多普勒頻移的大小取決于徑向速度，我們以vr表示，它等于發(fā)送機(jī)與接收機(jī)之間距離的時(shí)間變化率。如果接收機(jī)相對于發(fā)送機(jī)的速度遠(yuǎn)小于光速的大小，則(近似地)，f0/f1＝1-vr/c。
如果從R0向R1以頻率f0發(fā)出另一信號(hào)，則多普勒頻移加以復(fù)合，從而R1處探測到的頻率為f11＝f0(1-vr/c)＝f1(1-vr/c)2，近似為f11＝f1(1-2vr/c)。
多普勒頻移(fd)為經(jīng)過往返后在點(diǎn)1接收的頻率f11與從點(diǎn)1處初始發(fā)出的信號(hào)頻率f1之差；因此，fd＝f11-f1＝-2f1vr/c。
因此對多普勒頻移的測量產(chǎn)生出對徑向速度的測量，vr＝-cfd/(2f1)，并且此信息可用于軌道確定，如下面所述。幾何學(xué)本發(fā)明中，我們提供了兩種算法，可用于將一組標(biāo)量測量值轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星12的矢量位置?！叭颉倍ㄎ凰惴ú捎昧宋粗恢?我們以R0表示)處的收發(fā)機(jī)與一組三個(gè)以上RN之間的往透信號(hào)傳播。“距離和臨近速度”定位算法需要R0處收發(fā)機(jī)與僅僅兩個(gè)RN之間的往返通訊，但是還需要R0相對于RN的運(yùn)動(dòng)。在這兩種方法中，通訊往返模式是指所有往返傳播時(shí)間間隔可以由位于主要RN的單個(gè)時(shí)鐘加以測量。本系統(tǒng)中任何其他位置都不需要高度精確或同步的時(shí)鐘。
相反地，一般的GPS接收機(jī)需要對來自四個(gè)不同發(fā)送機(jī)的信號(hào)的測量值以便求出接收機(jī)的位置。由于該通訊的單向性，GPS發(fā)送機(jī)必須具有高精度和精確同步的時(shí)鐘，并且各GPS接收機(jī)在確定其三維位置時(shí)必須求出精確的當(dāng)?shù)貢r(shí)間。
本發(fā)明的另外的優(yōu)點(diǎn)在于，這兩種算法為限定衛(wèi)星位置的非線性方程組的直接封閉解法；而GPS采用的是本征非線性問題線性近似的迭代解法。直接解在計(jì)算上更具效率、更快并且更精確。“三球”算法三球算法將如上計(jì)算的距離(a1，a2，a3等)和三個(gè)以上RN(R1，R2，R3等)的已知位置轉(zhuǎn)換成衛(wèi)星12相對于地球的三維矢量位置。我們采用下述符號(hào)標(biāo)記以助于對該算法的清楚表示。矢量標(biāo)記在所有下述方程中，上標(biāo)字母表示三分量矢量，下標(biāo)字母表示標(biāo)量(非矢量)。
●A×B＝矢量A和B的矢積(矢量積)，使得如果C＝A×B則C的三個(gè)分量為Cx＝aybz-azbyCy＝azbx-axbzCz＝axby-aybx注意到所得C垂直于A和B。
●A·B＝axbx+axby+azbz＝矢量A和B的點(diǎn)積(也作標(biāo)量積或內(nèi)積)。
●A2＝A·A＝矢量A的模的平方，等于該矢量三個(gè)分量(x，y，z)的平方和(按三維畢達(dá)哥拉斯定理)。
●|A|＝(A·A)1/2矢量A的模。
●Rj＝從地球中心指向第j個(gè)RN位置的矢量，其中j＝[1，2，3，…]。
●R0＝從地球中心指向待定位衛(wèi)星的矢量。
●Rjk＝Rj-Rk＝從點(diǎn)k至點(diǎn)j的矢量。
●aj＝|R0j|＝從第j個(gè)RN至所述衛(wèi)星的距離測量值。
兩球的交點(diǎn)將相對于RN位置(R1，R2，…)確定衛(wèi)星位置R0。R0的下述幾何和數(shù)學(xué)推導(dǎo)并不是直接在以地球?yàn)橹行牡淖鴺?biāo)系中進(jìn)行的，而是在由RN位置限定的坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行。如此選擇坐標(biāo)系將矢量R01(從已知R1指向未知R0)分成三個(gè)相互垂直的分量(表示為Rp1，Rqp，R0q)。在此精心選擇的坐標(biāo)系中，這些矢量分量每一個(gè)都可以從測量值(a1，a2，a3)直接(非迭代)計(jì)算出來。這三個(gè)矢量與主要RN(R1)的位置矢量之和為所需的衛(wèi)星位置(R0)。表示為R0＝R0q+Rqp+Rp1+R1。
下面的討論說明對中間點(diǎn)Rp和Pq進(jìn)行空間定位的幾何過程，然后推導(dǎo)出這些位置的代數(shù)公式。
圖2表示含有R1處的主要RN14和R2處的輔助RN的平面。其中還畫出了從R1指向R2的矢量R21＝R2-R1。測量值a1將R0的可能位置限制在以Ri為圓心半徑為a1的球體內(nèi)。該球體與圖2的平面的交點(diǎn)為一個(gè)半徑為a1的圓。該圓標(biāo)記為|R01|＝a1。盡管R0可能位于該圓上，但是它更可能位于圖2所示平面的上面或下面。
類似地，測量值a2將R0的可能位置限制在以R2為圓心半徑為a2的球體內(nèi)。該球體與圖2的平面的交點(diǎn)為一個(gè)圓，標(biāo)記為|R02|＝a2。因?yàn)镽0必位于這兩個(gè)球體上，所以在圖2平面中R0的僅有可能解析點(diǎn)為這兩個(gè)圓相交處的標(biāo)記為Rb和Rc的點(diǎn)；然而，在所述平面之上和之下還有其他可能的解析點(diǎn)。
為了使位于前述兩個(gè)球體上的所有可能點(diǎn)的位置可視化，可以在不移動(dòng)矢量R21的情況下慢慢地翻動(dòng)圖2中的畫面。在此畫面的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)期間，可以看見平面中的圓畫出三維球體，并且可以看見Rb和Re畫出一個(gè)R0可能位置的圓。該圓位于垂直于矢量R21的另一平面內(nèi)。換句話說，由所述兩個(gè)球體交點(diǎn)限定的圓從圖2所示的平面中以直角伸出。
考慮了交點(diǎn)圓的幾何結(jié)構(gòu)，我們現(xiàn)在導(dǎo)出量化上述結(jié)構(gòu)位置的方程。圖3為圖2中部區(qū)域的放大圖，加入了補(bǔ)充的細(xì)節(jié)。從R1至Rb的矢量表示為|Rb1|＝a1，其中a1為其模。類似地，從R2至Rb的矢量表示為|Rb2|＝a2，其中a2為其模。
從Rc指向Rb的矢量Rbc垂直于矢量R21。Rbc與R21的交點(diǎn)表示為Rp。Rp的該定義使我們可以能夠?qū)㈨旤c(diǎn)為R1，R2，Rb的三角形分割成頂點(diǎn)為R1，Rp，Rb的直角三角形和頂點(diǎn)為R2，Rp，Rb的另一直角三角形。直角三角形的邊長由畢達(dá)哥拉斯定理x2+y2＝r2相關(guān)聯(lián)，其中x和y表示兩個(gè)直邊的長度，而r表示第三邊的長度。我們現(xiàn)在利用此定理來確定Rp相對于R1和R2的位置。
a12＝Rb12＝Rbp2+Rp12。
a22＝Rb22＝Rbp2+Rp22。
這兩個(gè)等式之差為a12-a22＝Rp12-Rp22。
我們注意到Rp2＝Rp1-R21；因此Rp22＝Rp12-2R21·Rp1+R212。
將這兩個(gè)等式合并，得到a12-a22＝2R21·Rp1-R212。
或者同等地R21·Rp1＝(R212+a12-a22)/2。
這意味著R21·Rp1可以為正或負(fù)，取決于R212+a12-a22的符號(hào)。例如，如果R1在|R02|＝a2表示的球體內(nèi)部，并且a1遠(yuǎn)小于a2，則R21·Rp1＜0。不管R21·Rp1是正還是負(fù)，R21×Rp1＝0表示這兩個(gè)矢量總是平行或反平行。在這兩種情況下，從R1延伸向交點(diǎn)圓的圓心的矢量由下述方程表示
定義Rp1的方程與前述方程不同。前述方程為一般數(shù)學(xué)關(guān)系和指向解的部分線索，但是因?yàn)樵摲匠淘谄溆曳街挥幸阎?測量的或預(yù)先計(jì)算的)量，其左方有一個(gè)變量，所以它不只是表示一組已知和未知量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，而是一種用于以一組已知量計(jì)算左方未知量的顯性(既不是隱性的、遞歸的，也不是迭代性的)程序。如此的顯性程序方程將以方框框住，以使其區(qū)別于僅用以說明如何推導(dǎo)它們的其他方程。以特定順序計(jì)算的所有這些顯性程序方程組，構(gòu)成了用以確定衛(wèi)星位置R0的程序。既然我們知道Rp1，我們可以從前述a12的方程計(jì)算出Rbp2Rbp2＝a12-Rp12。
如上所述，Rb為R0的唯一可能解，但是在我們的計(jì)算中還沒有包括a3數(shù)據(jù)。沒有另外信息，我們不能將Rb與位于圖3平面之上或之下的交點(diǎn)圓上的任何其他點(diǎn)區(qū)別開。Rbp2為交點(diǎn)圓半徑的平方，還等于R0p2。
在此計(jì)算步驟中，我們知道關(guān)于交點(diǎn)圓的三個(gè)關(guān)鍵因素第一，其圓心的位置Rp＝Rp1+R1；第二，其半徑|R0p|；以及第三，其在三維空間的方向R21·R0p＝0。我們還必須確定R0在所述交點(diǎn)圓上的角位置以便得到一個(gè)完整矢量解R0＝R0p+Rp。確定該角度需要第三個(gè)測量值。建立坐標(biāo)系為了確定R0的角位置，我們定義一組據(jù)以測量所述角度的坐標(biāo)軸。我們將連接R1和R2的直線表示為x軸，將x方向單位矢量定義為
(將任意矢量除以其模得到單位矢量，即模等于1的矢量。)該x單位矢量(Ux)為所述交點(diǎn)圓的“單位法向矢量”，表示它垂直于含有該圓的平面。
兩個(gè)平行(或反平行)矢量的交積為零。如果R3不在x軸上，則R31不平行(或反平行)于R21和Ux。在此情況下，Rz1＝Ux×R31非零，并且垂直于含有該RN的平面。如果R3位于或非常接近于x軸，則|Rz1|為零或非常接近于零，其位置計(jì)算變得不準(zhǔn)確。不管所用的計(jì)算算法，情況都是這樣的，但是本算法顯性地測出該條件，使得可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?，從而不?huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤解。
有時(shí)參照Rp而不是R1來表示Rz1是方便的。這是因?yàn)镽31＝R3p+Rp1Rz1＝Ux×R3p+Ux×Rp1Ux平行于R21和Rp1；因此，Ux×Rp1＝0。我們?nèi)缦露x該坐標(biāo)系中的其余兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正交矢量(Uy和Uz)
無需將Uy除以其自身的模，如同對Ux和Uz所作的那樣，因?yàn)閁x和Uz是正交的，并且都是模為1；因此，其交積也是模為1。與球3的交點(diǎn)測量值a3限定了R0必位于其上的另一個(gè)球體。如果點(diǎn)3不在x軸上，則該球體與前面限定的交點(diǎn)圓相交于兩點(diǎn)，一個(gè)在x-y平面之上，一個(gè)在其下，如圖4所示。我們將這些交點(diǎn)表示為Rd和Re，并且注意到Rde平行于Uz。將Rde與x-y平面(含有Ux和Uy的平面，并且也是圖2和3中所示的平面)之間的交點(diǎn)表示為Rq。
我們現(xiàn)在導(dǎo)出對Rd和Re定位的程序。衛(wèi)星位置R0等于Rd或者Re。由于其一位于地球表面之下，所以不難選擇適當(dāng)?shù)囊粋€(gè)作為計(jì)算的最后步驟。
如圖4所示，矢量Rdq平行于Uz。圖5，類似于圖3但是加上了點(diǎn)Rq，顯示出Rp1平行于Ux，以及Rqp平行于Uy。這三個(gè)矢量之和Rd1＝Rdq+Rqp+Rp1限定了點(diǎn)Rd相對于R1的位置，對于Re也同樣。
對于直角三角形dpq，畢達(dá)哥拉斯定理將Rdq分解為兩個(gè)分量，其對準(zhǔn)使得Rdp平行于Uz(見圖4)，以及Rqp平行于Uy(見圖5)。
Rdq2＝Rdp2+Rqp2。對Rd3進(jìn)行類似分解；然而，這里有一個(gè)另外的關(guān)鍵，Uz垂直于Rq3，如圖4所示；因此，Rq3沒有z分量；但是，Rq3在x以及y方向可能都具有非零分量。這與前面段落中所示的僅具有y分量的Rqp形成對比。
a32＝Rd32＝Rdq2+Rq32。
這兩個(gè)等式之差為a32-Rdp2＝Rq32-Rqp2。我們注意到Rq3＝Rqp+Rp3；因此Rq32＝Rqp2+Rp32+2Rqp·Rp3。將最后兩個(gè)等式合并，得到a32-Rdp2＝Rp32+2Rqp·Rp3。
注意到Rd為R0的可能解之一；因此，Rdq2＝R0p2。此為所述交點(diǎn)圓的半徑，我們前面已經(jīng)計(jì)算過，將其代入上述方程，得到Rqp·Rp3＝(a32-R0p2-Rp32)/2。如同在兩球相交程序的類似方程中一樣，此內(nèi)積Rqp·Rp3可以或正或負(fù)。對二者應(yīng)用相同程序
注意到Uy·Rp3＝-Uy·R31。該值出現(xiàn)在上式的分母中；因此，如果其等于零，則此算法失敗。這并不是此特定代數(shù)推導(dǎo)的贗象(artifact)，而是一個(gè)基本的幾何限制。如果Uy·R31＝0，則點(diǎn)3位于x軸上。在此情況下，我們只能確定R0位于一個(gè)單位法向矢量為Ux的圓上。我們可以確定該圓的半徑|R0p|，以及其圓心的位置Rp，但是不能確定R0圍繞此圓上的角位置。
第三RN必須位于遠(yuǎn)離x軸的位置以破壞圓柱對稱性，并解出Rd和Re的角位置，其一等于R0。位置計(jì)算的精度隨著第三RN靠近x軸而降低。我們已經(jīng)將此分析應(yīng)用到所提議系統(tǒng)的實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)以評價(jià)該算法的精確性，而不管測量值誤差和次優(yōu)的RN對準(zhǔn)。在幾乎所有情況下，Uy·R31足夠大，該算法可以如下繼續(xù)點(diǎn)q相對于地球中心的位置為
已知Rqp，我們可以對三角形dpq(見圖4)應(yīng)用畢達(dá)哥拉斯定理得到Rdp2＝Rdq2+Rqp2，這樣得到衛(wèi)星位置的兩個(gè)備用解
注意到這兩個(gè)解對稱地位于含有RN的平面之上和之下。因?yàn)镽N都處于地球上，所以這些解之一或者位于地球內(nèi)部，或者位于地球相反一側(cè)。實(shí)際上在所有情況下，只有這些解之一，Rd或者Re，處于提供數(shù)據(jù)的所有RN都可見的區(qū)域內(nèi)；因此，該算法不接受虛解，并且將另一認(rèn)定為R0。球與同心圓錐的交點(diǎn)如果只有兩個(gè)RN對于衛(wèi)星可見，并且假定衛(wèi)星相對于地球不是靜止的，則來自單個(gè)RN的距離和臨近速度測量值可以將衛(wèi)星的可能位置定位至一個(gè)交點(diǎn)圓，正如上述兩球交點(diǎn)一樣。在此情況下，交點(diǎn)圓對應(yīng)于球與一個(gè)頂點(diǎn)位于該球心的圓錐的交點(diǎn)。在該交點(diǎn)圓由一個(gè)新程序定義之后，可以應(yīng)用如三球定位算法中所用的同樣的球-圓交點(diǎn)程序來解出衛(wèi)星位置。
在球和同心圓錐算法中，距離測量值再次將可能的解析點(diǎn)限制在球表面。其新的方面在于臨近速度測量值進(jìn)一步將解析點(diǎn)限制在一個(gè)頂點(diǎn)位于同一球心的圓錐上。因?yàn)閳A錐與球同心，所以其交點(diǎn)曲線為一圓。該圓類似于地球上的同緯度線；然而，其方向由衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)限定，并不固定于地球。
如果衛(wèi)星相對于RN作勻速直線運(yùn)動(dòng)，則相對速度矢量(V01)除以其自身的模定義為圓錐的軸(為Ux)，其徑向相對速度與總相對速度之比確定出圓錐角＝arcCOS(Vr/|V01|)；然而實(shí)際情況稍微更復(fù)雜一些。本發(fā)明關(guān)注的衛(wèi)星，以及地球表面上的RN都相對于慣性空間作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
盡管在此情況下增加了復(fù)雜性，我們?nèi)匀豢梢垣@得一個(gè)封閉形式的解。推廣至橢圓衛(wèi)星軌道只是本算法的簡單擴(kuò)展，雖然沒有詳細(xì)討論，但是也應(yīng)認(rèn)為包含在本發(fā)明中。衛(wèi)星和RN都沿恒定高度的軌道運(yùn)動(dòng)。對于RN，這是因?yàn)榈厍虮砻娴霓D(zhuǎn)動(dòng)?？梢詫⑷魏螆A周運(yùn)動(dòng)的速度表示為Vj＝Wj×Rj；因此V01＝W0×R0-W1×R1，其中Wj為矢量角速度。對于固定于地球表面的RN，其W1與地球角速度相同。如果衛(wèi)星不是靜地的，而是沿近似圓軌道運(yùn)動(dòng)，則在計(jì)算過程的時(shí)間量級上，我們認(rèn)為W0是常數(shù)。
如上所述，該系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間測量出主要RN和衛(wèi)星(a1)之間的距離，并且根據(jù)距離測量值的時(shí)間變化和多普勒頻移測量出徑向速度(Vr)。這些標(biāo)量測量值與衛(wèi)星的矢量位置和速度如下關(guān)聯(lián)V01·R01＝Vra1.
距離和距離測量值限定V01·R01；然而，因?yàn)镽0未知，并且包含在R01和V01的定義中，所以我們必須作一些矢量計(jì)算以便從其交積中解出R0。
V01·R01＝(W0×R0-(W0-W01)×R1)·R01＝(W0×R01+W01×R1)·R01.
注意到W0×R01垂直于R01，而W01×R1具有垂直于和平行于R01的分量。標(biāo)積(W0×R01)·R01為零；因此V01·R01＝(W01×R1)·R01.
我們假設(shè)已經(jīng)高精度地知道衛(wèi)星的角速度(W0)，并且在測量時(shí)未知的是其精確位置(R0)。地球的角速度(W1)和主要RN的位置(R1)假設(shè)為已知。這意味著矢量W01×R1是已知的，我們用它來定義該距離和臨近速度算法中的x單位矢量(Ux)。R21在此處所起的作用與在三球算法中相同。
交點(diǎn)圓的圓心仍然表示為Rp，則在此算法中，
如同在三球算法中，
通過這些方程，也即，來自單個(gè)RN的距離加臨近速度測量值，可以提供交點(diǎn)圓的位置、方向和半徑而無需采用第二RN。或者由兩球方法或者由球和同心圓錐方法，一旦得出交點(diǎn)圓，就可以采用相同方法將該圓與最終球體相交以得出衛(wèi)星位置。在距離和臨近速度方法中，在最終球體相交方法中提及的所有“第三RN”均指第二RN，因?yàn)闊o需第三RN。在設(shè)定R3＝R2和a3＝a2之后，距離和臨近速度算法以與三球算法中的同樣方式進(jìn)行。
雖然詳細(xì)說明了實(shí)施本發(fā)明的最佳方式，但是熟悉本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)作出各種替代設(shè)計(jì)和例子以實(shí)施如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于在通訊網(wǎng)絡(luò)中確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)的位置的方法，其中的通訊網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)，分別位于地球上的第一和第二已知位置，第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)用以向所述軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)發(fā)送并從其接收通訊信號(hào)，該方法包括分別確定各第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)之間的第一和第二距離測量值(a1，a2)；分別確定與所述第一和第二距離測量值的時(shí)間變化率相對應(yīng)的第一和第二臨近速度；根據(jù)第一距離和第一臨近速度確定一個(gè)表示軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)一組可能位置的交點(diǎn)圓，該交點(diǎn)圓具有一個(gè)空間特定取向，一個(gè)特定半徑和一個(gè)相對于第一收發(fā)機(jī)(14)已知位置的特定三維位置處的圓心；根據(jù)第二收發(fā)機(jī)(11)的已知位置和第二距離測量值(a2)確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)沿所述交點(diǎn)圓的角位置；以及根據(jù)所述交點(diǎn)圓和所述角位置確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)相對于地球不是靜止的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中確定第一和第二距離測量值(a1，a2)包括采用雙向測距確定第一和第二距離測量值。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)之一為主要收發(fā)機(jī)(14)，并且其中確定第一和第二距離測量值(a1，a2)包括在一個(gè)已知初始時(shí)刻從主要收發(fā)機(jī)(14)向軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)發(fā)出測距信號(hào)；從軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)向主要收發(fā)機(jī)(14)以及第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)發(fā)出測距信號(hào)；從該第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)向軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)發(fā)出回答信號(hào)；從軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)向主要收發(fā)機(jī)(14)發(fā)出回答信號(hào)；在主要收發(fā)機(jī)(14)處分別于第一和第二時(shí)刻接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)；確定所述初始時(shí)刻與各第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間間隔；根據(jù)該時(shí)間間隔確定各主要收發(fā)機(jī)(14)以及第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)之間的第一和第二信號(hào)路徑長度；以及根據(jù)第一和第二信號(hào)路徑長度確定第一和第二距離測量值(a1，a2)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中發(fā)出測距信號(hào)進(jìn)一步包括以一個(gè)已知初始載波頻率發(fā)出測距信號(hào)，并且其中在主要收發(fā)機(jī)(14)處接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)進(jìn)一步包括分別以第一和第二載波頻率接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)，并且其中確定時(shí)間間隔進(jìn)一步包括確定初始載波頻率與各第一和第二載波頻率之間的頻率差，并且其中確定第一和第二信號(hào)路徑長度進(jìn)一步包括根據(jù)該頻率差和時(shí)間間隔確定信號(hào)路徑長度的變化率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中第一收發(fā)機(jī)的已知位置包括第一位置矢量，并且其中確定交點(diǎn)圓的圓心包括確定一個(gè)第一球體，以第一收發(fā)機(jī)為中心并具有對應(yīng)于第一距離測量值的第一半徑；確定軌道收發(fā)機(jī)(12)相對于地球中心的第一角速度矢量確定第一收發(fā)機(jī)相對于地球中心的第二角速度矢量；確定該第一和第二角速度矢量之差以獲得差值角速度矢量；確定一個(gè)x單位矢量，對應(yīng)于正則化的(normalized)該差值角速度矢量與第一位置矢量交積；確定x軸，對應(yīng)于通過第一球體球心的直線并且平行于x單位矢量；確定一個(gè)臨近速度圓錐，其頂點(diǎn)位于第一球體的球心，錐體關(guān)于x軸對稱取向，其表面相對于x軸成特定角度，該特定角度根據(jù)主要收發(fā)機(jī)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)之間信號(hào)路徑長度的變化率確定；以及確定所述圓心在位于x軸上相對于第一收發(fā)機(jī)位置的特定距離和特定方向處。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中確定所述角位置包括確定y軸和z軸，該y軸和z軸互相垂直并且各與x軸互相垂直；確定一個(gè)第二球體，以第二收發(fā)機(jī)為中心并具有對應(yīng)于第二距離測量值的第二半徑；確定位于所述交點(diǎn)圓與第二球體之間交點(diǎn)的兩個(gè)解析點(diǎn)；確定h軸，含有該兩個(gè)解析點(diǎn)并且平行于z軸；以及確定h軸和x-y平面之間交點(diǎn)處的第二中間點(diǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中確定y軸和z軸進(jìn)一步包括確定y軸與x軸相交于交點(diǎn)圓的圓心并且定向?yàn)槭沟玫诙瞻l(fā)機(jī)和第三收發(fā)機(jī)之一的已知位置處于含有x軸和y軸的x-y平面內(nèi)；以及確定z軸與x-y平面正交并且交x-y平面于交點(diǎn)圓的圓心。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括一第三收發(fā)機(jī)(11)，其中確定第一和第二距離測量值(a1，a2)進(jìn)一步包括確定第三距離測量值(a3)，并且其中確定交點(diǎn)圓進(jìn)一步包括根據(jù)第一和第二距離測量值(a1，a2)相對于第一和第二收發(fā)機(jī)確定交點(diǎn)圓，并且其中確定角位置進(jìn)一步包括根據(jù)該交點(diǎn)圓、第三收發(fā)機(jī)(11)的已知位置和第三距離測量值(a3)確定角位置。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中確定交點(diǎn)圓的圓心包括確定一個(gè)第一球體，以第一收發(fā)機(jī)為中心并具有對應(yīng)于第一距離測量值(a1)的第一半徑；確定一個(gè)第二球體，以第二收發(fā)機(jī)為中心并具有對應(yīng)于第二距離測量值(a2)的第二半徑；確定x軸，對應(yīng)于含有該第一和第二球體球心的直線；確定第一與第二球體之間的第二交點(diǎn)圓；確定一個(gè)含有第二交點(diǎn)圓并且垂直于x軸的第一平面；確定第一與第二球體之間交點(diǎn)圓的圓心處于x軸與第一平面的交點(diǎn)處。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中確定所述角位置包括確定y軸和z軸，該y軸和z軸互相垂直并且各與x軸互相垂直；確定一個(gè)第三球體，以第三收發(fā)機(jī)(11)為中心并具有對應(yīng)于第三距離測量值的第三半徑；確定位于第二交點(diǎn)圓與第三球體之間交點(diǎn)處的兩個(gè)解析點(diǎn)；確定h軸，該軸含有該兩個(gè)解析點(diǎn)并且平行于z軸；確定位于h軸和x-y平面之間交點(diǎn)處的一個(gè)第二中間點(diǎn)；以及根據(jù)該第二中間點(diǎn)的位置確定該兩個(gè)解析點(diǎn)的角位置。
12.一種用于在通訊網(wǎng)絡(luò)中確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)，分別位于地球上的第一和第二已知位置，第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)用以向所述軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)發(fā)送并從其接收通訊信號(hào)；以及一個(gè)與第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)之一聯(lián)接的處理器(16)，用于分別確定各第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)之間的第一和第二距離測量值(a1，a2)，分別確定與所述第一和第二距離測量值的時(shí)間變化率相對應(yīng)的第一和第二臨近速度，根據(jù)第一距離測量值(a1)和第一臨近速度確定一個(gè)表示軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)一組可能位置的交點(diǎn)圓，其中該交點(diǎn)圓具有一個(gè)空間特定取向，一個(gè)特定半徑和一個(gè)相對于第一收發(fā)機(jī)已知位置的特定三維位置處的圓心，根據(jù)第二收發(fā)機(jī)(11)的已知位置和第二距離測量值(a2)確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)沿所述交點(diǎn)圓的角位置，并且根據(jù)所述交點(diǎn)圓和所述角位置確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)相對于地球不是靜止的。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中處理器(16)在確定第一和第二距離測量值(a1，a2)時(shí)進(jìn)一步用以采用雙向測距確定第一和第二距離測量值(a1，a2)。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)之一為主要收發(fā)機(jī)(14)，該系統(tǒng)進(jìn)一步包括主要收發(fā)機(jī)(14)用于在一個(gè)已知初始時(shí)刻向軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)發(fā)出測距信號(hào)；軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)用于向主要收發(fā)機(jī)(14)以及第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)發(fā)出測距信號(hào)；第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)用于向軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)發(fā)出回答信號(hào)；軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)用于向主要收發(fā)機(jī)(14)發(fā)出回答信號(hào)；主要收發(fā)機(jī)(14)分別于第一和第二時(shí)刻接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)；以及處理器(16)進(jìn)一步用于確定所述初始時(shí)刻與各第一和第二時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，根據(jù)該時(shí)間間隔確定各主要收發(fā)機(jī)(14)以及第一和第二收發(fā)機(jī)之另一(11)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)之間的第一和第二信號(hào)路徑長度，并且根據(jù)第一和第二信號(hào)路徑長度確定第一和第二距離測量值(a1，a2)。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中主要收發(fā)機(jī)(14)在發(fā)出測距信號(hào)時(shí)進(jìn)一步用于以一個(gè)已知初始載波頻率發(fā)出測距信號(hào)，并且其中主要收發(fā)機(jī)(14)在接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)時(shí)進(jìn)一步用于分別以第一和第二載波頻率接收由軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)轉(zhuǎn)發(fā)回的測距信號(hào)以及回答信號(hào)，并且其中處理器(16)在確定時(shí)間間隔時(shí)進(jìn)一步包括確定初始載波頻率與各第一和第二載波頻率之間的頻率差，以及在確定第一和第二信號(hào)路徑長度時(shí)進(jìn)一步用于根據(jù)該頻率差和時(shí)間間隔確定信號(hào)路徑長度的時(shí)間變化率。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中第一收發(fā)機(jī)(14)的已知位置包括第一位置矢量，并且其中處理器(16)在確定交點(diǎn)圓的圓心時(shí)進(jìn)一步用于確定一個(gè)以第一收發(fā)機(jī)(14)為中心并具有對應(yīng)于第一距離測量值的第一半徑的第一球體；確定軌道收發(fā)機(jī)(12)相對于地球中心的第一角速度矢量；確定第一收發(fā)機(jī)相對于地球中心的第二角速度矢量；確定該第一和第二角速度矢量之差以獲得差值角速度矢量；確定對應(yīng)于正則化的該差值角速度矢量與第一位置矢量交積的x單位矢量；確定對應(yīng)于通過第一球體球心的直線并且平行于x單位矢量的x軸；確定一個(gè)臨近速度圓錐，其頂點(diǎn)位于第一球體的球心，錐體關(guān)于x軸對稱取向，其表面相對于x軸成特定角度，該特定角度根據(jù)主要收發(fā)機(jī)(14)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)(12)之間信號(hào)路徑長度的變化率確定；以及確定所述圓心在位于x軸上相對于第一收發(fā)機(jī)位置的特定距離和特定方向處。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中處理器(16)在確定所述角位置時(shí)進(jìn)一步用于確定互相垂直并且各與x軸互相垂直的y軸和z軸；確定一個(gè)第二球體，以第二收發(fā)機(jī)為中心并具有對應(yīng)于第二距離測量值的第二半徑；確定位于所述交點(diǎn)圓與第二球體之間交點(diǎn)的兩個(gè)解析點(diǎn)；確定h軸，含有該兩個(gè)解析點(diǎn)并且平行于z軸；以及確定第二中間點(diǎn)位于h軸和x-y平面之間的交點(diǎn)處。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中處理器(16)在確定y軸和z軸時(shí)進(jìn)一步用于確定y軸與x軸相交于交點(diǎn)圓的圓心并且定向?yàn)槭沟玫诙瞻l(fā)機(jī)和第三收發(fā)機(jī)之一的已知位置處于含有x軸和y軸的x-y平面內(nèi)；以及確定z軸與x-y平面正交并且交x-y平面于交點(diǎn)圓的圓心。
20.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)第三收發(fā)機(jī)(11)，并且其中處理器在確定第一和第二距離測量值(a1，a2)時(shí)進(jìn)一步確定第三距離測量值(a3)，并且在確定交點(diǎn)圓時(shí)進(jìn)一步用于根據(jù)第一和第二距離測量值(a1，a2)相對于第一和第二收發(fā)機(jī)(11，14)確定交點(diǎn)圓，并且在確定所述角位置時(shí)進(jìn)一步用于根據(jù)該交點(diǎn)圓、第三收發(fā)機(jī)(11)的已知位置和第三距離測量值(a3)確定該角位置。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中處理器(16)在確定交點(diǎn)圓的圓心時(shí)進(jìn)一步用于確定一個(gè)第一球體，以第一收發(fā)機(jī)(14)為中心并具有對應(yīng)于第一距離測量值(a1)的第一半徑；確定一個(gè)第二球體，以第二收發(fā)機(jī)(11)為中心并具有對應(yīng)于第二距離測量值(a2)的第二半徑；確定x軸，對應(yīng)于含有該第一和第二球體球心的直線；確定一個(gè)第一與第二球體之間的第二交點(diǎn)圓；確定一個(gè)含有第二交點(diǎn)圓并且垂直于x軸的第一平面；以及確定第一與第二球體之間交點(diǎn)圓的圓心處于x軸與第一平面的交點(diǎn)處。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中處理器(16)在確定所述角位置時(shí)進(jìn)一步用于確定互相垂直并且各與x軸互相垂直的y軸和z軸；確定一個(gè)第三球體，以第三收發(fā)機(jī)(11)為中心并具有對應(yīng)于第三距離測量值(a3)的第三半徑；確定位于第二交點(diǎn)圓與第三球體之間交點(diǎn)處的兩個(gè)解析點(diǎn)；確定一個(gè)含有該兩個(gè)解析點(diǎn)并且平行于z軸的h軸；確定一個(gè)位于h軸和x-y平面之間交點(diǎn)處的第二中間點(diǎn)；以及根據(jù)該第二中間點(diǎn)的位置確定所述兩個(gè)解析點(diǎn)的角位置。
全文摘要
一種用于確定在通訊網(wǎng)絡(luò)中軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)的位置的方法和系統(tǒng)。用第一和第二收發(fā)機(jī)向軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)發(fā)送并從其接收通訊信號(hào)。一個(gè)處理器確定第一和第二收發(fā)機(jī)與軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)之間的第一和第二距離測量值,以及表示距離測量值的時(shí)間變化率的相應(yīng)第一和第二臨近速度,接著確定一個(gè)表示軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)一組可能位置的交點(diǎn)圓,和接著確定軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)沿所述交點(diǎn)圓的角位置。最好,確定出軌道運(yùn)行收發(fā)機(jī)的位置。
文檔編號(hào)G01S5/12GK1261673SQ9912664
公開日2000年8月2日 申請日期1999年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月16日
發(fā)明者唐納德·C.·D·常, 卡.·W.·楊, 威廉姆·J·努南, 戴維.·C.·成, 布魯斯·E·舒曼 申請人:休斯電子公司