[发明专利]低功率的基于卫星的地面定位系统

说明书

                    发明背景

本发明总的涉及地面定位系统，更具体地，涉及基于低地球轨道卫星的地面定位系统。

本申请涉及到Matthew Schor在1997年6月17日提交的、并转让给本专利申请的同一个受让人的、题为“Method and Apparatus for Precision Geolocation(用于精确地面定位的方法和设备)”的美国专利申请No.08/877,571。美国专利申请No.08/877,571在此引用以供参考，并将整体在此重复出现(包括其附图在内)。本申请揭示了一种用于改进基于卫星的地面定位系统的定位精度的方法，即，首先测量在已知位置处的一个参考的位置，确定所测量的位置与已知位置的误差矢量，测量未知收发信机的位置，然后把误差矢量附加到所测量的位置上。作为测量过程的一部分，本申请揭示了使用发送信号中的多卜勒漂移来确定收发信机的位置。在这个系统中，收发信机从卫星接收信号，并发送一个应答。换句话说，收发信机起到转发器的作用。

地面定位系统的第一个要求是，它能适用于宽广的使用范围。为了做到这一点，地面定位系统必须能够确定在建筑物内以及建筑物外的位置。由于由建筑物造成很大的衰减，这需要它能以极低的信号电平运行。大多数现有的地面定位系统由于不能接收来自建筑物内的信号，因此它们在其可应用性上是有限的。

地面定位系统的另一个要求是发送保密性。地面定位系统的许多潜在用户不一定想要它们的位置被广播而导致它们的位置可以提供给很大范围的公众。因此，在卫星与发射机/接收机之间的链路应当是低功率的和相当保密地进行传输。

众所周知，扩频通信系统能提供这种能力，因为它们是在很宽的频谱上发射，每个频率单元包含小量的发射功率。结果，扩频信号的辐射功率类似于噪声。而且，为了接收和译码扩频信号，必须知道被用来扩展发射信号的准确编码。

然而，为了正确接收扩频信号，首先必须得到发射信号的定时。这涉及到确定频率以及分片序列(Chipping sequence)的相位。

某些已知的扩频系统以很高的数据速率发送，这使得接收机能够在很短的时间间隔内积分，这样允许较大的频率不稳定性。然而，如上所述，地面定位系统必须能够渗入建筑物。因此，为了在极低功率的信号的情况下工作，必须使用较低的数据速率，以提供足够的处理增益来克服建筑物衰减。然而，较长的积分时间会由于频率误差而引起更大的损耗，这意味着为获取信号而需要的时间会增加。

对于多卜勒频率有两个单独的问题。第一个问题是地面定位的精度。转发器必须精确跟踪多卜勒频率，以及地面站必须精确地测量它，以便提供良好的位置估值，因为位置估值是多卜勒频率的函数。

有关多卜勒的第二个问题是信号获取。由于可能高达几十kHz的多卜勒频移不确定性，转发器和地面站一开始只对接收信号的频率有一个粗略的概念。如果接收机调谐到的一个频率与正确频率相差太远，则积分的过程会由于损耗而不能检测出信号。最大可接受的频率误差取决于积分时间。较长的积分需要较低的频率误差。如果总的多卜勒不确定性超过对于给定的积分时间间隔的最大可接受的频率误差，则接收机必须搜索正确的频率。接收机调谐到一个频率，积分，以及寻找信号的存在。如果没有检测到信号，则接收机调谐到一个新的频率，以及重复该过程。重复这个过程的次数取决于积分时间间隔，较长的积分时间间隔导致较长的频率搜索。在这种情况下接收机不需要知道在几赫兹内的多卜勒频移，除非积分时间非常长。

因此，地面定位波形的设计者面临的两个主要问题是获取定时和多卜勒频移。如果为检测一个测距脉冲所需要的积分时间是T和码片速率是f_c，则通过使用传统的相关接收机对于所有可能的定时频移的简单的顺序搜索可达到T²f_c秒，以便得到测距信号。例如，对于T=1/50秒和f_c=1MHz，捕获时间可以长达400秒，这几乎是7分钟。