CN1353822A - 在卫星通信系统中用户终端的精密定位 - Google Patents

Abstract

一种改进的方法,用于以高正确度来确定用户终端位置。通过使基本有效定位测量组重复N次,达到对用户有价值的更佳的正确度。根据本发明的方法,用户进行位置呼叫(404)。位置呼叫提示网关建立话务信道(406),在话务信道上,定位消息(408)将产生测量的基本组:在单个卫星定位中的环程延迟和环程多普勒,以及在两个卫星定位中对于第二卫星的另外的延迟一差和多普勒频差。使用经累加的测量来确定位置和理论误差(410、412)。当到达正确度门限值或时间极限已过去时,使呼叫终止。用户终端接收位置消息或失效消息(416)。

Description

在卫星通信系统中用户终端的精密定位

发明领域

本发明一般涉及卫星通信系统和网络。尤其，本发明涉及以较高精度确定移动站相对于卫星的位置。

现有技术

典型的基于卫星的通信系统包括至少一个地面基站(此后称之为网关)、至少一个用户终端(例如，移动电话)以及用于在网关和用户终端之间转发通信信号的至少一个卫星。网关提供从用户终端到其它用户终端或诸如地面电话系统之类的通信系统的链路。

移动用户终端已经使用户无论走到何处都可以得到他们的通信能力。这对基于卫星的通信系统的载波上强加了确定用户终端定位的负担。对用户终端位置信息的需求起源于几种考虑。一种考虑是系统应该选择合适的网关来提供通信链路。这种考虑的一个方面是把通信链路分配给合适的服务提供者(例如，电话公司)。一般把特定地理地区分配给服务提供者，而服务提供者处理在该地区中的所有用户的呼叫。当需要与特定用户终端进行通信时，通信系统可以根据用户终端定位所在处的地区把呼叫分配给一个服务提供者。这可能包括对该地区进行服务的网关的分配。为了确定合适的地区，通信系统需要用户终端的位置。当必须根据政治边界或合同服务而对服务提供者分配呼叫时，发生相似的考虑。

基于卫星的通信系统的许多移动电话用户还希望知道他们的用户终端的位置。例如，在树林中野营的一个移动电话用户迷失方向，或不能确定离开所希望的目的地的定位或距离。除了进行紧急电话呼叫求助或帮助指出方向之外，移动电话用户希望提供用户终端位置信息。这种信息可以帮助移动电话用户自己找到他们到安全或所要求地点的路途。

当前，得到只供通信系统使用的用户终端位置信息。当前通信系统的误差规格要求用户终端位置信息的正确度确定在10公里之内。对于系统操作，10公里的误差是足够的，但是如果正在把用户终端位置信息提供给用户，则一般是不够的，特别是为了紧急的目的。必须提供有足够正确度的用户终端位置信息，使之对用户有意义。

确定用户终端的位置的数种方法包括测量用户终端和卫星之间的距离(量程)以及该距离的变化率(量程变化率(range rate))。当把这些测量(measurement)与诸如卫星的位置之类的其它数据组合时，可以确定用户终端的位置。在共同拥有的，未定申请第8/723,751号，题为“使用一个低—地球轨道卫星的位置确定(Position Determination Using One Low-Earth OrbitSatellite)”；第08/723,725号，题为“使用两个低—地球轨道卫星的定性位置确定(Unambiguous Position Determination Using Two Low-Earth OrbitSatellites)”；第09/150,500号，题为“在卫星通信系统中精确量程和量程变化率确定(Accurate Range And Range Rate Determination In A SatelliteCommunication System)”；以及09/150,077，题为“在卫星通信系统中的快速用户终端位置确定(Fast User Terminal Position Determination In ASatellite Communications System)”中揭示了使用卫星—用户终端量程和量程变化率来确定用户终端定位的技术，在此引用各专利申请作为参考。

在上述专利申请中，对于用一个卫星定位，确定一个或多个卫星和用户终端之间的距离(量程)的正确度是几公里，而对于用两个—卫星定位，正确度约为500米。到2001年，美国联邦通信委员会(FCC)已经要求对于进行“911”紧急呼叫人员的定位可以确定在125米之内。在其它国家，相似的要求可能是政府行动的主题。此外，一般还认为提高位置确定的正确度有助于对其它类型的求助寻址。非—紧急特征的某些商用服务也希望提高定位正确度。

所需求的是一种系统和方法，使用户可以进行位置呼叫而接收有用的用户终端位置信息。进一步需求的是用于得到更正确的测量一种系统和方法，接着，所述更正确的测量将产生在125米之内的更正确的用户终端定位确定，以满足FCC的911紧急呼叫用户位置要求以及其它用户位置要求。

发明概要

本发明通过提供改进的系统和方法来满足上述需求，所述改进的系统和方法用于以高正确度来确定用户终端的位置。本发明使用精密定位来确定在卫星通信系统中的用户终端的位置。定义精密定位为高正确度定位。在位置呼叫期间，通过重复N次基本的有效定位测量组，根据几何形状的变化延长测量，并添加用于提供差分校正的一个基准用户终端，精密定位提供对用户有价值的提高的正确度。

根据本发明的方法，用户进行位置呼叫。位置呼叫提示网关建立话务信道，在所述话务信道上，定位消息将产生测量的基本组：在单个—卫星定位中的环程延迟和环程多普勒，以及另外在两个—卫星定位中到第二卫星的延迟—差值和多普勒差值。使用累加的测量来确定位置和理论误差。当达到正确度门限值或时间极限已经终止时，就终止呼叫。用户终端接收到位置信息或失效消息。

下面参考附图详细描述本发明的进一步的实施例、特性和优点，和本发明的各种实施例的结构和操作。

附图简述

从下面结合附图的详细描述中，对本发明的特性、目的和优点将更为明了，在所有的附图中，用相同的标记作相应的识别。在附图中，相同的参考号一般表示相同的、功能相似的、和/或结构相似的单元。用相应参考号中最左边的数字表示一个单元首次在其中出现的附图。

图1是示出示例无线通信系统的图，本发明在所述系统中是有用的；

图2A是用于单个卫星精密定位的随机误差对测量总持续期的曲线图表示；

图2B是一个示例卫星通信系统，描绘在测量持续期上的几何形状变化如何帮助降低偏置误差；

图2C是示出卫星天线波束方向图的图，描绘在单个卫星定位中的不明确的问题；

图2D是用于两个—卫星精密定位的随机误差对测量总持续期的曲线图表示；

图3是具有基准用户终端的示例无线通信系统的图；

图4是根据本发明的一个实施例的流程图，示出把位置信息提供给进行位置呼叫的用户的一种方法。

较佳实施例的详述

当这里参考特定应用的示例实施例描述本发明时，应该理解，本发明不限于这些。熟悉本技术领域并接触这里提供的学说的人员会理解在本发明范围内的另外的修改、应用和实施例，以及本发明在其中有重要应用的另外领域。

介绍

本发明是一种系统和方法，用于正确地确定在卫星通信系统中的用户终端的位置。本发明使用精密(fine)定位来确定用户终端的位置。通过重复利用基本的有效定位测量组的测量，根据几何形状的变化延长测量，并添加用于提供差分校正的一个基准用户终端，精密定位提供提高的正确度。通过调节随机误差和偏置误差，精密定位所使用的方法提供正确度较高的用户终端定位。

本发明特别适合于在使用低地球轨道(LEO)卫星的通信系统中使用。然而，熟悉本技术领域的人员会明了，也可以把本发明的概念应用于卫星在非—LEO轨道上运行的卫星系统，以及具有移动信号源的一些其它系统。在讨论本发明的实施例之前，先介绍本发明可以在其中操作的环境。

典型的卫星通信系统

在图1中示出示例无线通信系统，本发明在该系统中是有用的。设想该通信系统使用码分多址(CDMA)型通信信号，但是这不是本发明所需要的。在图1中示出的通信系统100的一部分中，示出一个基站112、两个卫星116和118以及两个相关联的网关或枢纽120和122，用于实现与两个远程用户终端124和126的通信。一般，基站和卫星/网关是分立通信系统的元件，称之为基于地面的和基于卫星的，虽然这不是必须的。在这种系统中，基站、网关和卫星的总数与所需要的系统容量和其它因素有关，在本技术领域中是众知的。

每个用户终端124和126包括无线通信装置，诸如，但是不限于，无线电话、数据收发机、或寻呼或位置确定接收机，并且按需要可以是手持式的或安装在车辆上的。

一般，来自卫星116和118的波束覆盖在预定方向图中的不同地理区域。可以操纵不同频率的波束，也称之为CDMA信道或“子波束”，使之覆盖相同的区域。熟悉本技术领域的人员会不费力地理解，根据通信系统设计和所提供的服务的类型，以及是否正在得到空间分集而可以设计供多个卫星的波束覆盖或服务区、或供多个基站的天线方向图，使之完全或部分地覆盖一个给定区域。

已经建议多种多—卫星通信系统，其中一个示例系统使用数量级为48或更多的卫星，这些卫星在LEO轨道的8个不同轨道平面中运行，用于对大量用户终端提供服务。然而，熟悉本技术领域的人员会不费力地理解本发明的学说是如何应用于多种卫星系统以及网关配置的，包括其它轨道距离和星座。

在图1中，示出建立通信的某些可能的信号路径，所建立的通信是在用户终端124和126与基站112之间，或通过带有网关120和122的卫星116和118。通过线路130和132示出基站—用户终端通信链路。通过线路140、142和144示出卫星116和118和用户终端124和126之间的卫星—用户终端通信链路。通过线路146、148、150和152示出网关120和122和卫星116和118之间的网关—卫星通信链路。可以把网关120和122以及基站112用作为一路或两路通信系统的一部分，或简单地把消息或数据传递到用户终端124和126。

为了便于上述信号路径的讨论，在本揭示中采用下列约定。把从网关到卫星发送信号称为“前向上行链路”。把从卫星到用户终端发送信号称为“前向下行链路”。把前向上行链路和前向下行链路集中称为“前向链路”。把从用户终端到卫星发送信号称为“反向上行链路”。把从卫星到网关发送信号称为“反向下行链路”。把反向上行链路和反向下行链路集中称为“反向链路”。

下面详细讨论本发明的较佳实施例。在对特定步骤、配置和安排讨论时，应该理解，如此做仅为了示意的目的。熟悉本技术领域的人员会理解，可以使用其它步骤、配置和安排而不偏离本发明的精神和范围。可以在多种无线信息和通信系统中发现本发明的应用，包括那些确定位置的意图。较佳应用是在CDMA无线扩频通信系统中用于电话的服务。

精密定位概述

本发明是一种系统和方法，用于正确地确定在卫星通信系统中的用户终端的位置。本发明使用精密定位来确定用户终端的位置。精密定位提供较高正确度的定位。网关或用户终端可以通过始发位置呼叫来请求精密定位。位置呼叫是专门请求用户终端的较高正确度定位的特殊呼叫。例如，可以把紧急呼叫“911”作为位置呼叫来处理。位置呼叫的长度约20-120秒。通过拨特殊号码、数字序列、或代码，或通过按专用按钮或按钮组，或在用户终端上通过菜单选择而进行位置呼叫。

精密定位所使用的方法利用基本的有效定位测量组(即，单个卫星定位和两个—卫星定位)的重复测量来调节随机误差，根据几何形状的变化延长测量以调节随机误差和偏置误差，以及一个基准用户终端来调节偏置误差。在上述‘751和‘725申请中揭示使用卫星—用户终端量程和量程变化率来确定用户终端位置的技术，为了完整性而在此引用所述专利作为参考。在上述专利申请的题为“在卫星通信系统中确定正确量程和量程变化率(Accurate Range AndRange Rate Determination In A Satellite Communication System)”，以及“在卫星通信系统中快速确定用户终端位置(Fast User Terminal PositionDetermination In A Satellite Communications System)”中揭示使用卫星—用户终端量程和量程变化率来确定用户终端位置的其它技术。根据重复测量和延长测量的精密定位

精密定位使用基本的有效定位测量组(即，单个卫星定位和两个—卫星定位)的重复测量来调节随机误差。由热噪声引起的误差是与随机误差无关的。在位置呼叫期间，在一个长达2分钟的周期上重复测量。相同的测量重复N次，使由于随机测量误差引起的位置误差降低

单个卫星定位

在单个卫星定位中，初始随机测量误差是极高的。如上所述，当相同的测量重复N次时，使位置误差降低 在测量总时间或时间间隔期间，改变在卫星、网关和用户终端之间的几何形状还可以得到位置误差的降低超过

在位置呼叫期间，这里是2分钟，卫星改变它的位置，这导致一个新的几何形状。在测量总时间T期间(其中T＝(N-1)δt，其中δt是在测量之间的时间间隔，而N是重复测量的次数)的几何形状的改变添加了相当多的信息，并进一步降低误差到超过

图2A是用于单个卫星精密定位的随机误差对测量总持续期的示例曲线图表示。曲线200包括对数y-轴刻度202，表示以米为单位的随机误差；x-轴204，表示以秒为单位的测量总持续期；虚线206表示由于位置误差降低

而导致的随机误差改进，其中，N等于30；以及带有圆圈210的实线208，表示由于延长测量(即，包括几何形状改变的作用)而导致的随机误差改进。圆圈210表示在测量之间的时间间隔。对于实线曲线208，在测量之间的时间间隔是五(5)秒，并延长到150秒或2.5分。

在时间t＝0处，曲线200以2.5公里的随机误差开始。在时间t＝150秒处，由于 而导致随机误差降低到约0.45公里，如虚线206所示。在时间t＝150秒处，当使用重复延长测量时，进一步降低随机误差。实线208示出由于重复测量和几何形状改变两者而进一步降低随机误差到约70米。

偏置误差是通过固定的或内在的某些原因而引起的误差。在相邻的测量中发生相似的偏置误差，因此，是难于改进的。在卫星定位中，几何形状的改变也有助于降低偏置误差。在图2B中示出一个示例通信系统，描绘在2-分测量持续期上的几何形状的改变如何帮助降低偏置误差。尤其，示例卫星通信系统包括：第一曲线，表示地球表面222的部分圆周线；以及第二曲线，表示卫星224的轨道路径。移动电话226(用户终端)位于地球表面上。卫星224的轨道路径包括在时间t＝0秒处的假定卫星位置228，在时间t＝0秒处的真实卫星位置230，由于在时间t＝0秒处的假定和真实卫星位置之间的差而产生的误差232，在时间t＝120秒处的假定卫星位置234，在时间t＝120秒处的真实卫星位置236，以及由于在时间t＝120秒处的假定和真实卫星位置之间的差而产生的误差238。

起初，在时间t＝0秒处，假定卫星在位置228处，但是实际是在位置230处。因此，实际量程要短于假定量程，产生负误差232。假定卫星正在以7公里/秒移动，在时间t＝120秒处，卫星已经移动840公里。在时间t＝120秒处，假定卫星在位置234处，但是实际是在位置236处。因此，实际量程长于假定量程，产生正误差238。

从沿卫星位置的轨道位置得到信息或补偿。通过对负误差232与正误差238进行平均，调节沿轨道位置中的偏置误差。

单个卫星精密定位中存在不定性(ambiguity)。当不能够确定用户终端位于卫星轨道的哪一侧时发生不定性。起初的不明确解决方案使用两种快—定位方法。第一种方法观察来自第二卫星的历史数据，如果可得到的话。第二种方法使用卫星波束信息。如果用户终端接近子道(sub-track)(＜300公里)，则起初的不明确方法可能失败。

图2C是示出卫星天线波束方向图的图，描绘在单个卫星定位中的不定性。卫星天线波束方向图270包括卫星轨道272、卫星274、多个卫星天线波束283-297、第一双曲线279、以及第二双曲线281。第一双曲线279包括真实用户终端位置276和镜象用户终端位置278。第二双曲线281包括真实用户终端位置280和镜象用户终端位置282。

第一双曲线279的真实用户终端位置276放置在离开镜象用户终端位置278的不同卫星波束中。知道用户终端实际位于波束283-297中的哪个波束中就可以解答用户终端的正确位置。知道真实用户终端位置276放置在卫星波束283中而不是卫星波束289中，就排除了把不明确的镜象用户终端位置278作为用户终端的正确位置。当真实和镜象位置落在相同波束中时，使用卫星波束信息不能够解决不定性。第二双曲线281的真实用户终端位置280和镜象用户终端位置282两者都放置在卫星波束290中。因此，使用卫星波束信息不能够解答实际用户终端位置。

在单个卫星定位中可用的延长测量提供能够辅助解决不定性的附加信息。由于在延长测量周期期间地球的旋转，附加信息相对于真实和镜象两种解是不对称的。所采用的求解技术使用所有的累加测量在解得真实位置和镜象位置两者之后观察余量(residual)的方向图。

余量的是实际测量与用于计算估计位置的无噪声测量之间的差值。真实解的余量将围绕零随机地起伏(除非存在强的偏置误差的源)。镜象解的余量将围绕特性曲线(量程余量—双曲线，量程变化率余量—锯齿形(ramp))随机地起伏。

在延长测量周期期间，可能有新卫星加入或代替第一卫星。即，用户终端可能变换它与之通信或通过其传递信号的卫星，当不同的卫星进入时或原先的丢失看不到时。卫星越区切换和其它事件也影响这个过程。在延长测量周期期间加入的新卫星把单个卫星定位转换成两个—卫星定位。例如，可以用单个卫星开始位置呼叫。在呼叫期间，第二卫星可能出现，产生两个—卫星定位。在呼叫期间的较晚时间，第一卫星可能越区切换到第二卫星，结果回到单个卫星定位。在单个卫星精密定位期间，累加来自两个不同卫星的测量，不管在时间上是部分重叠或根本不重叠，所产生的定位性能可以与两个卫星精密定位相比拟。

两个卫星定位

对于两个卫星定位，在第一测量中已经存在大多数几何形状优点。一般，初始误差要比在单个卫星的情况中小许多。因此，对于两个卫星精密定位，误差的改进是对相同测量重复N次的结果，使位置误差降低

图2D是两个卫星精密定位的随机误差对测量总持续期的曲线图表示。曲线240包括对数y-轴刻度242，表示以米为单位的随机误差；x-轴244，表示以秒为单位的测量总持续期；虚线曲线246，表示由于位置误差降低

而导致的随机误差改进，其中，N等于或小于30；以及带有圆圈250的实线曲线248，表示由于延长测量(即，几何形状的改变)而导致的随机误差改进。圆圈250表示测量之间的时间间隔。对于实线曲线248，在测量之间的时间间隔是五(5)秒，并延长到150秒或2.5分。在时间t＝0处，曲线240以90米的初始随机误差开始。在时间t＝150秒处，由于

而使随机误差降落到约16米，如在虚线曲线246中所示。注意，在时间t＝150秒处，经历延长测量而随机误差降低得较少。实线曲线248经历约为19的较少的随机误差降低。用于精密定位的基准用户终端

使用基准用户终端的精密定位有助于调节偏置误差，对于基准用户终端和正在确定位置信息的用户终端两者，所述偏置误差是共同的。这种偏置误差包括，但是不限于，卫星频率误差、卫星定位误差以及电离层效应。电离层效应可以改变信号的延迟。图3是具有基准用户终端的示例无线通信系统的图。尤其，通信系统300包括：第一曲线，表示地球表面302的部分圆周；以及第二曲线，表示卫星312的轨道路径310。在地球表面上放置网关304、基准用户终端306和第二用户终端308。已知网关304、基准用户终端306和卫星312的位置。通常把基准用户终端306放置得接近网关304。第二用户终端308的位置是未知的。

任何时候当卫星312在网关304的区域中时，使用环程延迟和多普勒测量来确定基准用户终端306和第二用户终端308两者的位置。在周期性(诸如每隔几秒)的基础上进行这些测量，但是因为要消耗一个卫星的资源，所以不是如此频繁地进行的。因为已知基准用户终端306的位置，所以基准用户终端306的实际多普勒和环程延迟是已知的。当所测量的多普勒和环程延迟值不等于已知或实际值时，存在频率(f)和量程(R)误差。从第二用户终端308接收到的测量中减去f和R误差。因此，调节了基准用户终端306和第二用户终端308两者共同的偏置误差。这不是所有的偏置误差，但是它们表示大部分的偏置误差。从第二用户终端308的测量减去f和R误差提供了差分校正，结果使第二用户终端308的环程延迟和多普勒测量得到改进。

偏置误差的降低

最严重的偏置误差源是用户终端速度。如果用户终端移动，则多普勒测量将包含误差，因为卫星多普勒受到终端运动的影响。一般，对于用户—始发的位置呼叫，希望用户站立或停留在一个位置上。不动的用户终端排除了用户终端速度引起的偏置误差。当第三方要求用户的位置时，由于第三方请求的用户没有察觉，用户可能不站立在一个位置上。

在单个卫星定位中，用户的运动导致偏置误差。当用户以近似相同的速度正在同一方向上移动时，重复测量使用户的速度估计成为可能。例如，在延长测量期间，从点A到点B移动的用户将在A和B之间当中的位置上结束。以固定速度在一个方向上移动的用户终端的偏置误差使每小时十(10)公里的运动导致约为一(1)公里的较大偏置误差。

在两个—卫星定位中，用户的运动不是极严格的。求解得的位置将相应于在测量周期的中点处的用户终端位置。对于两个—卫星定位，多普勒测量的加权按比例小于给予量程测量的加权。因为用户终端速度影响多普勒，并且不给予多普勒测量同样多的权，所以多普勒测量对于所产生的位置数据不是起重大作用的一个因素。

在单个卫星定位中，由于卫星位置误差ΔX_SAT引起的用户终端定位误差ΔX_UT遵守对于卫星位置误差的固定线性关系：

ΔX_UT.2^*ΔX_SAT ^*R_E/(R_E+h_STA)                  (1)其中，h_SAT是卫星高度，而R_E是地球的半径。由于卫星位置误差引起的用户终端位置误差起初是相当小的。由于

的作用，由于卫星位置误差引起的用户终端位置误差将不降低，但是当存在改变几何形状的附加信息时，由于卫星位置误差引起的用户终端位置误差将降低。

当存在足够的有较佳间隔的量程测量时，由于不使用多普勒测量的任意选择，可以完全消除由于卫星频率误差引起的偏置位置误差，或多普勒测量的加权比它们的离散值的倒数较小时，可以降低由于卫星频率误差引起的偏置位置误差。由于 的作用，由于卫星频率误差引起的偏置位置误差将不降低。

在单个卫星定位中，由于卫星频率误差引起的偏置位置误差在起初是较大的。当可得到更多的量程测量时，由于多普勒的减弱作用而使偏置位置误差快速下降。在给予多普勒测量的加权较小时，甚至使偏置位置误差降低得更快。在两个—卫星定位中，由于卫星频率误差引起的偏置位置误差在起初是较小的，并随着附加的测量而稍微变化。

通过使用通信系统的更正确的校准可以得到上述偏置误差的进一步降低，诸如对与网关位于同一地点的基准用户终端使用环程多普勒测量而校准卫星频率偏移。

在单个卫星定位中，只在交叉—轨道方向X上存在由于未计及升高而引起的用户终端位置误差。交叉—轨道误差ΔX遵守线性关系：

ΔX≈Δh^*h_SAT/X                             (2)其中，h_SAT是卫星高度，X是从用户终端到卫星子道的距离，而Δh是用户终端高度误差。延长测量不会使ΔX降低。通过在网关(120、122或304)处使用更详细的地形图可以降低Δh。

在两个卫星的情况中，延长测量允许任意选择估计高度。这增加了随机测量误差的灵敏度，但是消除了由于用户终端高度或升高引起的偏置误差。

确定用户终端位置和误差的估计

本发明使用两个参数来得到量程和量程变化率的正确测量。第一参数是信号的环程延迟(RTD)，所述信号是从基准卫星发送到用户终端，并返回网关的。第二参数是多普勒频移。通过测量通信信号的特征而得到RTD和多普勒频移，所述信号是通过一个或多个卫星在用户终端和网关之间进行交换的。在上述专利申请中揭示RTD和多普勒频移，以及用于确定在用户终端和一个或多个卫星之间的量程和量程变化率的方法，为了完整性在此引用这些专利作为参考。

本发明使用定义如下的加权的高斯—牛顿最小二乘方(least square)公式来得到用户终端位置和估计误差。从网关得到量程和量程变化率测量。在任何给定时刻，卫星位置和速度是已知参数。最小二乘方量程公式是 $R=\sqrt{{(X_{\mathrm{SAT}}-X_{\mathrm{UT}})}^2+{(Y_{\mathrm{SAT}}-Y_{\mathrm{UT}})}^2+{(Z_{\mathrm{SAT}}-Z_{\mathrm{UT}})}^2}---\left(3\right)$ 其中，R是量程，X_UT、Y_UT和Z_UT表示用户终端位置的X、Y和Z坐标，而X_SAT、Y_SAT和Z_SAT表示卫星位置的X、Y和Z坐标。最小二乘方量程变化率公式是 $\stackrel{.}{R}=\frac{(X_{\mathrm{SAT}}-X_{\mathrm{UT}})}{R}\•{\stackrel{.}{X}}_{\mathrm{SAT}}+\frac{(Y_{\mathrm{SAT}}-Y_{\mathrm{UT}})}{R}\•{\stackrel{.}{Y}}_{\mathrm{SAT}}+\frac{(Z_{\mathrm{SAT}}-Z_{\mathrm{UT}})}{R}\•{\stackrel{.}{Z}}_{\mathrm{SAT}}...\left(4\right)$ 其中，R是量程变化率，X_UT、Y_UT和Z_UT表示用户终端位置的X、Y和Z坐标，X_SAT、Y_SAT和Z_SAT表示卫星位置的X、Y和Z坐标，而

和

表示卫星速度的X、Y和Z坐标。

根据本发明的方法，在任何给定卫星位置处，通过使用用户终端的位置在何处的最佳猜测(guess)估计(X_UT、Y_UT和Z_UT)，使用上述公式(1)和(2)确定估计量程和量程变化率。最佳猜测估计使用已知信息来提供如用户终端位置在何处的最佳猜测。例如，可以使用以前已知的、最后请求的、或通常的家庭位置、用户终端位置。当缺乏信息时，使用网关位置作为用户终端位置的最佳猜测估计。一旦决定或选择用户终端位置的最佳猜测估计，就可以使用最佳猜测估计来确定估计量程R以及估计量程变化率

本发明使用已知为高斯—牛顿的最小二乘方公式来确定用户终端的位置。基本高斯—牛顿公式为 ${\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n-1}+{\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^T[M-\hat{M}\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)]---\left(5\right)$ 其中，θ_n是矢量，表示用户终端的当前位置估计，θ_n-1是矢量，表示用户终端的以前位置估计，H是偏导数矩阵，而M是测量的矢量。 ${\mathrm{\θ}}_n=\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]---\left(6\right)$

偏导数矩阵H包括相对于X、Y和Z的每个测量的偏导数。偏导数矩阵H指处R和 的测量有多少是在特定几何形状处的X、Y和Z的函数。在公式(7)中示出的偏导数矩阵H包含量程测量的偏导数和量程变化率测量的偏导数。当进行更多测量时，继续生成偏导数矩阵H。在偏导数矩阵H中的下标2可以指第二卫星，或可以指在不同位置的相同卫星。 $H=\left[\begin{array}{ccc}\frac{{\∂R}_1}{\∂x}& \frac{{\∂R}_1}{\∂y}& \frac{\∂R_1}{\∂z}\\ \frac{\∂R_1}{\∂x}& \frac{{\∂R}_1}{\∂y}& \frac{{\∂R}_1}{\∂z}\\ \frac{{\∂R}_2}{\∂x}& \frac{\∂R_2}{\∂y}& \frac{{\∂R}_2}{\∂z}\\ \frac{{\∂R}_2}{\∂x}& \frac{{\∂R}_2}{\∂y}& \frac{{\∂R}_2}{\∂z}\end{array}\right]---\left(7\right)$

测量的矢量M包括量程R和量程变化率 的测量，或从量程R和量程变化率

的测量形成。在公式(8)中示出测量的矢量M。注意，当收集更多的测量时，矢量M也会继续生成。 $M=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ {\stackrel{.}{R}}_1\\ R_2\\ {\stackrel{.}{R}}_2\end{array}\right]---\left(8\right)$

是估计测量的矢量。

在量程R中的测量比在量程变化率

中的测量更正确。为了补偿在测量中的不确定性，使用加权矩阵W施加不同的权。因此，权矩阵W考虑测量的质量。权矩阵W是一个对角线矩阵，它的单元是所测量的量程R和量程变化率

的标准偏差的函数。权矩阵W是： $W=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{R_1}}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{R_1}}& 0& 0\\ 0& 0& \frac{1}{{\mathrm{\σ}}_{R_2}}& 0\\ 0& 0& 0& \frac{1}{{{\mathrm{\σ}}^2}_{R_2}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

现在把权矩阵W施加到公式(3)的高斯—牛顿公式，以得到加权的高斯—牛顿公式。用于确定用户终端位置的加权的高斯—牛顿公式是： ${\mathrm{\θ}}_n={\mathrm{\θ}}_{n-1}+{\left(H^T\mathrm{WH}\right)}^{-1}{\mathrm{WH}}^T[M-\hat{M}\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\right)]---\left(10\right)$ 加权的高斯—牛顿公式允许在确定位置之前对测量累加。

为了确定已经在何时得到测量的规定正确度，确定对于具有测量的给定正确度的给定几何形状的预期误差估计。预期误差矩阵的估计G是：

G＝(H^TWH)^-1                          (11)总误差的关系式是： ${\mathrm{Err}}_{\mathrm{TOT}}=\sqrt{{X^2}_{\mathrm{Err}}+{Y^2}_{\mathrm{Err}}+{Z^2}_{\mathrm{Err}}}=\sqrt{G_{11}+G_{22}+G_{33}}---\left(12\right)$ 其中，X_err、Y_err和Z_err表示总误差的坐标，而G₁₁、G₂₂和G₃₃是G矩阵的对角线。

在确定位置之前累加数据的方法

本发明的方法是一个迭代(iterative)过程，该过程从对所考虑的用户终端位置的初始第一猜测开始，然后收敛到一个解。如上所述，位置估计是根据加权的高斯—牛顿最小二乘方估计的。在执行在卫星通信系统中的用户位置的位置初始确定之前，系统一直等待直到已经对预—选择数目的测量进行累加。例如，在进行初始确定之前通常取得5、6或7个测量。在已经累加要求数目的测量(5、6、或7个)之后，确定位置估计和误差估计。如果误差估计不低于门限值(诸如100或200米误差的门限值)，则系统继续累加更多的测量，然后使用所有经累加的数据重复进行位置和误差估计的确定。位置和误差估计的重复确定需要所考虑的用户终端位置的第一猜测。每个重复确定的第一猜测是来自以前确定的位置估计。使用所有经累加的数据的上述累加测量然后确定位置和误差估计的过程继续进行，直到误差估计低于门限值或位置呼叫时间帧(所允许的或所要求的时间间隔)已经过去。

例如，收集5个测量。在第5次测量之后，确定位置和误差估计。误差估计大于门限值。因此，再进行5次另外的测量。在得到第10个测量之后(即，第一次收集的5个，以及第二次收集的5个)，使用所有10个测量来确定位置和误差估计。所产生的误差估计大于门限值。因此，再进行5次另外的测量。在得到第15个测量之后，使用所有15个测量来确定位置和误差估计。所产生的误差估计小于门限值，导致过程结束。

另一方面，系统可以在每次测量之后确定位置和误差估计，然后对位置估计进行平均以得到最终的位置。通过使用这个另外的方法，当单个卫星定位转换成两个—卫星定位时，系统将提供单个卫星定位，然后对结果进行平均。

通过使用把所有测量累加在一起的较佳方法，系统使用两个—卫星定位有效地操作。两个卫星定位比单个卫星定位更好。

提供位置信息的方法

图4是流程图，示出把位置信息提供给进行位置呼叫的用户的一种方法。可以在硬件、固件、软件或它们的组合中实施在图4中示出的方法的步骤。

从步骤402开始所述过程，并进行到步骤404。在步骤404中，具有诸如移动电话之类的用户终端的用户进行位置呼叫。可以通过按专用于位置呼叫的一个特定的按钮或按钮组或拨位置呼叫的号码或代码来进行位置呼叫。在某些通信系统中，位置呼叫可以是任选的或特征分配给用户的，预—选择的服务或编程的服务，因此当激励用户终端时，可以自动地发生位置呼叫。例如，这个特征可以是对自动应用或自动紧急服务请求发射机有用的。然后，处理进行到步骤406。

在步骤406中，网关执行常规的接入信道定位，并建立话务信道。然后，过程进行到步骤408。

在步骤408中，每隔δt秒，网关把位置信息请求发送到用户终端(在话务信道上)。网关的每个位置请求初始下列测量：

对于单个卫星定位，RTD和多普勒频移。

对于两个卫星定位，RTD、多普勒频移、Δt和Δf，其中，RTD是环程延迟，Δt是两个卫星之间的量程延迟差，而Δf是在两个卫星之间的多普勒频差(Doppler difference)。对于单个卫星定位，δt＝10秒。对于两个卫星定位，δt＝1秒。可以使用单个卫星定位和两个卫星定位两者的其它δt值而不偏离本发明的范围。然后，处理进行到步骤410。

在步骤410中，网关确定位置和误差估计。位置确定使用所有经累加的测量。然后，处理进行到判定步骤412。

在判定步骤412中，确定所估计的误差是否小于误差门限值电平，或呼叫时间是否大于时间极限。通常把误差门限值电平设置在100。可以使用诸如125、200或300等误差门限值电平的其它值而不偏离本发明的范围。呼叫时间是自从进行位置呼叫后所消逝的时间(通常以秒为单位)。对于位置呼叫的时间极限是120秒。如果确定所估计的误差小于误差门限值电平或呼叫时间大于时间极限，则处理进行到步骤416。如果确定所估计的误差大于或等于误差门限值电平或呼叫时间小于时间极限，则处理返回到步骤408以得到另外的测量。

在步骤416中，把位置消息或失效消息发送给用户。位置消息是指示用户的位置和误差估计的消息。如果在时间极限内得到的误差估计超过门限值，则发送失效消息。如果受阻挡的卫星导致不可预期的失效，也可以产生失效消息。对于如此的误差，失效消息可以读出：不适宜的卫星星座—请过2分钟再试。在911紧急呼叫的情况下，即使超过门限值电平，也会把以前确定的位置和误差估计传递给用户。于是，程序近到步骤418，此处处理结束。

环境

可以使用硬件、软件或它们的组合来实施本发明，而且可以使用计算机系统、专用的可编程控制器或其它处理系统来实施本发明。可以主要使用硬件来实施本发明，诸如使用专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP)。熟悉本技术领域的人员会明了，实施硬件状态机来执行这里所描述的功能。在再另一个实施例中，使用硬件和软件两者的组合来实施本发明。已知这里所提供的流程图和说明书，熟练的编程员能够容易地对无线电话处理器系统进行编程以实现本发明的任务。结论

提供较佳实施例的上述描述，以使任何熟悉本领域技术的人员可以制造或使用本发明。在已经参考本发明的较佳实施例特别示出和描述本发明的同时，熟悉本领域技术的人员将理解，可以对这些实施例进行形式和细节上的各种修改而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的广度和范围不限于任何上述实施例，而应该只根据下列权利要求书和它们的同等物来定义。

Claims (30)

1.一种用于确定在卫星通信系统中的用户终端位置的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

重复测量通信信号的特征；以及

组合测量以产生位置估计，从而减小在测量中随机误差的影响。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，重复测量通信信号特征的所述步骤进一步包括当只有一个卫星可用时，等待网关—卫星—用户终端几何形状在测量之间改变的步骤，从而当存在不适宜的几何形状时减小不适宜的网关—卫星—用户终端几何形状的影响，减小偏置误差的影响，以及减小不定性影响。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括估计理论预期误差的步骤，其中，所述预期误差是预期测量误差和几何形状的函数。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小在测量中的随机误差的影响与所取得的测量的数目的方根成反比例。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在重复测量通信信号的特征的所述步骤之前接收位置呼叫。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量步骤和所述组合步骤是迭代过程，其中，所述迭代过程以估计位置的第一猜测开始，并收敛于一个解。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述估计位置的初始第一猜测是根据网关的位置的，并且对于每个附加迭代的所述第一猜测是最后的所述位置估计。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置估计是根据加权的最小二乘方估计的。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，累加所述测量，并且在所述组合步骤中使用所有接收到的测量来产生所述位置估计。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述累加测量包括单个卫星定位测量、两个卫星定位测量以及第一和第二单个卫星定位测量，其中，第一卫星把获得测量的责任传递到第二卫星。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括使用基准UT减小对所有用户终端共同的偏置误差，诸如电离层误差、卫星频率误差以及卫星位置误差步骤，其中，所述基准UT具有在网关附近的已知位置。

12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述位置呼叫是由用户和第三方中的一个启动的。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述位置估计是根据单个卫星定位的量程和多普勒测量，以及两个卫星定位的量程、多普勒、两个卫星之间的量程差以及两个卫星之间的多普勒频差。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述位置估计是根据所述第一卫星的量程和多普勒测量，以及所述第二卫星的量程和多普勒测量的。

15.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括当所述理论误差小于预定门限值时终止所述测量和组合步骤；并把所述估计位置结果向用户报告的步骤。

16.如权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括当所述位置呼叫超过最大长度时终止所述测量和组合步骤；并把所述估计位置结果向用户报告的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述最大长度是2分钟。

18.一种用于确定用户终端在卫星通信系统中的位置的系统，其特征在于，所述系统包括：

用于重复地测量通信信号的特征的装置；以及

用于组合测量以产生位置估计，从而减小随机误差在测量中的影响的装置。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，用于重复地测量通信信号的特征的所述装置进一步包括一种装置，用于当只有一个卫星可用时，等待网关—卫星—用户终端几何形状在测量之间改变，从而当存在不适宜的几何形状时减小不适宜的网关—卫星—用户终端几何形状的影响，减小偏置误差的影响，以及减小不定性影响。

20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括一种装置，用于估计理论预期误差，其中，所述预期误差是预期测量误差和几何形状的函数。

21.如权利要求18所述的系统，其特征在于，减小随机误差在测量中的影响与所取得的测量的数目的方根成反比例。

22.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述测量装置和所述组合装置包括用于提供迭代过程的一种装置，其中，所述迭代过程包括估计位置的第一猜测。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述估计位置的初始第一猜测是根据网关的位置的，并且对于每个附加迭代的所述第一猜测是最后的所述位置估计。

24.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述位置估计是根据加权的最小二乘方估计的。

25.如权利要求18所述的系统，其特征在于，累加所述测量，并且由所述组合装置使用所有接收到的测量来产生所述位置估计。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述累加测量包括单个卫星定位测量、两个卫星定位测量以及第一和第二单个卫星定位测量，其中，第一卫星把得到测量的责任传递到第二卫星。

27.如权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括一种装置，用于使用基准UT减小对所有用户终端共同的偏置误差，诸如电离层误差、卫星频率误差以及卫星位置误差，其中，所述基准UT具有靠近网关的已知位置。

28.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述位置估计是根据单个卫星定位的量程和多普勒测量，以及两个卫星定位的量程、多普勒、两个卫星之间的量程差以及两个卫星之间的多普勒频差。

29.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述位置估计是根据所述第一卫星的量程和多普勒测量，以及所述第二卫星的量程和多普勒测量。

30.如权利要求20所述的系统，其特征在于，进一步包括一种装置，用于当所述理论误差小于预定门限时终止所述测量和组合装置；并把所述估计位置结果向用户报告。

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