专利名称：空间飞行器位置估计系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于估计空间飞行器位置、特别是用于估计绕地球运行的卫星的位置的系统。本发明还涉及用于估计空间飞行器位置的方法、参与空间飞行器位置估计的接收站和处理站以及要在参与空间飞行器位置估计的接收站或处理站上执行的计算机程序。本发明还涉及空间飞行器位置的跟踪。
背景技术：
确定和理解在任何时间点的卫星的轨道对于卫星操作员而言非常重要。可以根据通过测量确定的位置估计来推导出轨道。例如，对地静止卫星如名称所述地(即，根据计划或设计)位于环绕地球的对地同步轨道弧上的指定经度位置处。此外，卫星位置估计系统使得可以进行精确的演习评估(maneuver assessment) 0 演习评估包括规划和监视所执行的演习对轨道的影响，牢记经济(节省)使用卫星上携带的有限量的燃料的目的。演习特别需要将对地静止卫星保持在其指定经度上。这使得可以经由卫星的非各向同性天线进行可靠的远程通信接收和发射。对地静止轨道不稳定，特别是由于月亮和太阳的万有引力而不稳定，因此需要这种演习。还执行演习以按控制方式改变卫星的轨道，从而改变例如卫星的经度位置(longitudinal position)以及卫星的倾度(inclination)或偏心距(eccentricity)，其中，将改变卫星的经度位置称为卫星偏离 (satellite drift)。在多个卫星共同位于单个轨道经度上的情况下，存在各种卫星之间的微小经度、 倾度和偏心距分离的组合。这种局面复杂，并且需要针对各卫星进行持续且准实时地的位置估计和轨道确定。除了对地静止卫星以外，精确的位置估计可能对任何类型的卫星或空间飞行器来说都是重要的并可适用的，而与卫星或空间飞行器的发射类型或轨道无关。可以利用往返行程延迟测量(round trip delay measurement)来确定卫星位置。 往返行程延迟测量包括信号从地面发射站到卫星和从卫星回到地面接收站的传输，以及测量在从地面发射站发射信号和由地面接收站接收到该信号之间的经过时间。在以下方法中的任一中，假定精确知道各地面站的位置。已知的所谓三边测量法(trilateration method)的方法涉及各自能够发射并接收基准信号的三个地面站。通常，各站独立测量在自身向卫星发射基准信号和接收到在由卫星中继后从卫星返回的信号之间的延迟。三个站并行进行上述操作的这种设置提供从这三个站到卫星的三个绝对距离测量，从而可计算卫星的位置。可选地，可将三边测量法转换成伪测距法(pseudo-ranging method)。在该方法中，在地面站之间联合地而不是独立地测量往返行程延迟，以使得仅一个地面站发射单个基准信号。第一地面站接收从卫星返回的信号。其它站还从卫星接收由第一地面站已发射至卫星的单个基准信号。因此，间接计算出其它地面站和卫星之间的距离。伪测距法需要地面站之间的公共时间基准(common time reference)，而上述三边测量法不需要公共时间基准。可以通过解决三球面相交问题(three-sphere intersection problem)或者使用例如在以下文献中给出的算法来执行卫星位置估计D.E. Manolakis Efficient solution and performance analysis of 3-D position estimation by trilateration, IEEE trans, on Aerospace&Electronic Systems, Vol. 32, No. 4, Oct.1996,ρρ1239_1248。始终存在改进用于估计诸如卫星等的空间飞行器的位置的系统和方法的需求。词汇沣释在概述本发明之前，解释本文中短语“和/或”的使用。在各例子中，使用短语“和/或”来表示由此结合的术语、特征或条款要组合在一起或是单独的。换言之，在A和B表示两个术语、特征或条款的情况下，表述“A和/或B” 涵盖了 “A和B”、“A”以及“B”这三种可选方案。当首次使用表述“A和/或B”、然后使用表述“所述A和/或所述B”(例如，在权利要求中或者在权利要求及其从属权利要求之一中)时，该表述涵盖了以下五种可选方案-首次“A和B”、然后“所述A和所述B”；-首次“A和B”、然后“所述A”；-首次“A和B”、然后“所述B”；-首次“A”、然后“所述A”；以及-首次“B”、然后“所述B”。将按照这些原理来理解短语“和/或”的使用，其中，不涵盖不一致的组合。例如， "A和/或B”之后为“C和/或D”时，各表述涵盖了三种可选方案，由此涵盖了九种可选方案。然而，例如，当“C”是“A的性质”的替代时以及当“D”是“B的性质”的替代时，将理解后面跟着“C和/或D”的“A和/或B”仅涵盖五种可选方案。
发明内容
本发明的目的在于通过改进用于估计诸如卫星位置等的空间飞行器位置的系统和方法来满足前述需求。根据本发明，提供了一种用于估计空间飞行器位置的系统。所述系统包括多个接收站，用于接收从所述空间飞行器发射的信号；以及处理站，用于接收来自所述多个接收站的数据。各接收站用于在本文中被称为记录窗口的时间窗口内记录从所述空间飞行器发射的信号，并将表示在所述记录窗口内记录的信号的数据发射至所述处理站。与各接收站相关联的记录窗口彼此偏移和/或具有不同的大小(即不同的长度或持续时间)。所述处理站用于使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站中的至少一对接收站，分别估计所述空间飞行器和一对接收站中的各接收站之间的距离的差，并且基于此估计所述空间飞行器位置。因而，在第一可选方案中，与各接收站相关联的记录窗口被配置成彼此偏移。在第二可选方案中，与各接收站相关联的记录窗口被配置成彼此具有不同的大小。在第三可选方案中，与各接收站相关联的记录窗口被配置成彼此偏移并且具有不同的大小。现在将更详细地解释该情况。多个接收站被配置为接收从空间飞行器发射的射频信号。这些多个接收站各自在记录窗口内记录从空间飞行器发射的射频信号。
考虑这些接收站中的两个接收站。这两个接收站各自在记录窗口或区间内记录经由空气接口(air interface)从空间飞行器发的射频信号序列。参考这两个接收站共用的时间基准得知记录窗口的开始和结束。接着，将在这两个接收站处记录的射频信号序列均发射至处理站。与对应于从两个接收站各自发射的射频信号序列的记录窗口的开始和结束有关的信息或者为处理站先验已知，或者由被接收站发射至处理站。在处理站处不需要与何时从空间飞行器发射射频信号序列有关的信息。同样，在处理站处不需要与射频信号序列性质有关的信息。处理站参考已知的公共时间基础，确定在两个接收站处于两个各自的记录窗口内已经接收到并记录的射频序列的一部分的到达时间差(TDOA)。射频序列到达第一接收站和第二接收站的到达时间差与空间飞行器相对于第一接收站的距离和空间飞行器相对于第二接收站的距离之间的距离差相对应。通过在处理站处使两个射频信号序列相关来确定时间差或偏移。相关峰(correlation peak)对应于时间差或偏移。考虑传播介质的性质，通过使在第一接收站和第二接收站处接收到的一对记录射频序列相关，可以确定空间飞行器相对于第一接收站和第二接收站的距离之间的距离差。 在与一对记录射频序列相对应的记录窗口内，应当存在在第一接收站和第二接收站处已经接收到从空间飞行器发射的原始射频序列的相同部分的重叠区间。空间飞行器位于与空间中的如下点的集合相对应的双叶双曲面(two-sheeted hyperboloid)上对于这些点，在该空间飞行器相对于第一接收站和第二接收站的距离之间的距离差恒定。通过针对第二对接收站并且如果需要针对第三对接收站在相同的时间点或大致相同的时间点重复相同的处理，可以确定空间飞行器可能位于的另外两个双曲面。可以估计出空间飞行器位于这些双曲面的交点处。如上所述，在处理站处以对为单位来使所记录的信号相关。对双曲面的交点的识别提供了对空间飞行器位置的估计。还被称为三维双曲线定位(three-dimensional hyperbolic positioning)的这个处理需要将实际记录的信号序列发射至处理站。另外，应当在足够长的记录窗口内记录信号序列，以获得有意义的相关峰。通过将可用信号带宽乘以采样时间来得出相关处理增益。这个方法的优势在于，不需要从空间飞行器发送物理层上的或封装于调制后有效载荷(modulated payload)中的基准信号模式(reference signal pattern)。该方法既不需要由空间飞行器发出用以使得在接收站处开始记录的任何触发序列。还不需要特别修改空间飞行器。在这个意义上，该方法是被动的。该方法不需要协作的空间飞行器。仅要求空间飞行器发送接收站可以检测到的一些电磁信号。然而，尽管如此，该方法能够处理并利用由空间飞行器发出的基准信号模式和触发序列，以使得在接收站处能够进行记录。当设计这种方法和系统时，出现以下需求与具有足够长度的记录窗口相对应的记录信号序列的发射需要考虑在空间飞行器相对于第一接收站和第二接收站各自的距离之间的距离差，同时还包括相对于原始发射的序列的足够时间重叠，以提供有意义的相关性。现在已经认识到实现满足这种需求的方法或系统可能大大增加在各接收站和处理站之间的通信链路上的负荷。还已经认识到当执行空间飞行器位置跟踪时尤其如此，空间飞行器跟踪需要一个接一个的频繁的位置估计以例如适当并及时控制演习。优选将接收站布置为彼此相距很远(例如分隔500公里以上)，以提高处理角分辨率(process angular resolution)和空间飞行器位置估计精度。因此，各接收站和处理站之间的距离可因此是大的，从而使得在接收站和处理站之间不存在视线(line-of-sight)。这进一步增大了由发射所记录的序列所产生的网络负荷。通过以有意控制的方式偏移记录窗口，减少了要发射至处理站的数据量。附加地或可选地(由此提供了三种可选方案)通过以有意控制的方式分别设置各记录窗口的大小，以使得这些记录窗口被配置成彼此具有不同的大小，也减少了要发射至处理站的数据量。代替在各个接收站处于(相对于公共时间基准相同的)同一记录窗口内记录所接收到的信号序列，记录窗口彼此偏移和/或记录窗口的大小被设置为彼此不同。通过参考附图 (例如图3b)对具体实施例的详细说明，将明白在一些实施例中可如何计算记录窗口之间的偏移和/或各窗口的个体大小。在US 2004/0140930Α1(以下称为“参考文献[1]”)中公开的测距系统也涉及估计空间飞行器位置。为了更好地理解本发明，有必要突出参考文献[1]与本发明的系统和方法之间的不同之处。在参考文献[1]的系统中，在接收站处确定空间飞行器和至少三个接收站中的每个接收站之间的距离。将所确定的距离值发送至中央处理站，并且基于这些距离值估计空间飞行器位置。该估计是基于对距离值进行的三边测量计算的。在参考文献[1]的一个实施例中，如参考文献[1]的图6所示，联合使用发射站 (图6中的附图标记605)和接收站(图6中的附图标记613)来提供进行一次距离测量的往返行程延迟(发出时间和接收时间之间的差)。本发明与参考文献[1]的显著不同之处在于，在本发明中，将两个接收站的实际记录信号发送至处理站，以在处理站处以对为单位使实际记录信号相关。另外，本发明通过在各接收站处控制记录窗口之间的时间偏移和/或记录窗口的个体大小设置，减轻网络上由发射所记录的信号所引起的负荷。在参考文献[1]中没有公开也不需要偏移记录窗口和 /或设置记录窗口的大小。由于没有为了计算在接收站处记录的信号副本的时间差而将实际接收到并记录的信号通过网络发送至中央处理站，因此在参考文献[1]中没有出现减轻网络上由测距系统引起的负荷的问题。仅发送了距离值和时间戳(例如，参考文献[1]的图6中的发出时间和接收时间之一)。在本发明的上述实施例中，记录窗口被配置成彼此在时间上偏移和/或在大小上不同。如技术人员将认识到的，这并不排除两个记录窗口之间偶然的、可能接近于值“0”的时间偏移(例如，两个记录窗口的开始之间的偏移)。同样，这并不排除两个记录窗口之间偶然的几乎相等的大小。本发明的包括了记录窗口被配置成彼此在时间上偏移和/或在大小上不同的这个方面，从结构角度看来，反映了定位系统为了减少要发射至处理站的数据量而以有意控制的方式偏移记录窗口和/或分别改变记录窗口的大小的能力。基于与第一接收站相对于空间飞行器的距离和第二接收站相对于空间飞行器的距离之间的距离差有关的先验知识来有意控制偏移和/或大小设置。与一对接收站相关联的偏移是相对于公共时间基准的偏移。在一个实施例中，接收站配置有彼此同步的时钟。在一个实施例中，一些接收站在时间上彼此不同步。一些接收站的组件和结构也可能不同，由此由于站的个体固有延迟而引起彼此的时间偏移。处理站知道接收站之间的去同步量，以使得该处理站能够发送有意义的(从时间基准角度来看是有意义的)偏移命令。换言之，即使不存在时间同步和/或接收站之间在组件和结构上存在差异，只要处理站知道接收站之间的时间去同步程度或者组件和结构的差异程度，该处理站就可以考虑该去同步以及组件和结构差异，从而适当地生成针对接收站的窗口偏移和/或大小命令(或触发命令)并且适当地处理由此产生的结果(所记录的数据)以进行有意义的相关。本发明所解决的问题对于确定空间飞行器位置而言意义重大，但并不直接应用于 (或者至少很难应用于)在诸如空中交通管制(air traffic control)的场景下确定飞机位置。在空中交通管制时，接收站布置为仅相距几公里(50公里以上)，这使得在接收站和中央处理站之间经常存在视线。此外，飞机的瞬时位置可以位于在接收站的接收半径所覆盖的地理区域中的任何位置。另外，飞机的轨迹在高度或方向上可能是高度动态的并且是不可预测的。偏移记录窗口和改变记录窗口的大小解决了空间飞行器、特别是对地静止卫星特有的问题。这关系到接收站的几何结构(被布置为彼此相距远，优选相距500公里以上)和卫星位于地球表面上方36000公里处的对地同步轨道或对地准同步轨道上(其中， 可以很好地预测卫星的位置)这一事实。由于接收站和卫星之间的极大距离，与获得好的相关峰所需的净窗口大小相比，卫星信号的到达时间在时间上差异更大。通过偏移记录窗口和/或改变记录窗口的大小来使总的窗口大小最优化，并且解决了将大量数据传送至中央处理站的问题。在特定实施例中，将空间飞行器限制于特定的“箱(box)”中。该箱可以是对地准同步轨道弧，因此，限制了空间飞行器可以位于的位置，并且将此直接转换为接收站和空间飞行器之间距离的差和针对不同的接收站的窗口大小和时间偏移。在一个实施例中，一个接收站与处理站位于同一位置处。在一个实施例中，使从接收站发射至处理站的数据数字化以供发射。这提高了系统可靠性。在一个实施例中，由处理站进行的相关包括使所记录的信号成对地相关，检测表示两个副本之间的时间移动的相关峰位置，计算与各个对相对应的三维双曲线或双叶双曲线，以及计算双曲线的交点作为空间飞行器位置。为了应对两个以上双曲线的交点并未导致单个点的情况，该计算可以包括包含例如最小二乘法的最优化，以找到(最有可能的)最近交点并由此确定位置。在一个实施例中，由处理站进行的相关包括使所记录的信号成对地相关，检测表示两个信号副本之间的时间移动的相关峰位置，计算从卫星到位置已知的各个接收站的信号运行时间之间的最终差异。将这个数据提供给用于计算空间飞行器位置的单独系统。在一个实施例中，使多个接收站各自的时钟同步。在一个实施例中，基于与空间飞行器的位置以及两个接收站的位置有关的信息， 来计算与这两个接收站相关联的记录窗口之间的偏移和/或记录窗口各自的大小。可以由处理站来计算时间偏移和/或窗口大小。在一个实施例中，与两个接收站相关联的记录窗口的各自窗口大小和/或相互时间偏移被配置成为各接收站先验已知，而无需由处理站提供。在一个实施例中，系统不仅用于估计空间飞行器位置，而且还用于跟踪空间飞行器位置随着时间的变化。在该实施例中，基于或者(在基于预先的空间飞行器位置的知识已经计算了偏移的情况下)进一步基于与如由处理站本身(在一个或多个先前的操作步骤中)估计出的空间飞行器位置有关的信息，来计算与两个接收站相关联的记录窗口之间的偏移。在一个实施例中，跟踪空间飞行器位置随时间的变化是由各接收站通过使用以窗口偏移和/或大小设置预测为代表的先验信息独立管理的，而无需由处理站提供。可以如下提供跟踪循环或反馈回路(feedback loop)。基于与预先获得的空间飞行器位置或者接收站和空间飞行器之间的距离的差有关的知识(不一定需要空间飞行器位置，接收站对的范围/时间差对反馈回路来说足够，从而使得该处理对于单个接收站也单独有效)，并且基于与接收站的位置有关的预定知识，处理站将窗口偏移和/或大小设置命令发射至接收站。这里，术语“范围(range) ”指空间飞行器(或者，在一个实施例中，卫星)和接收站之间的距离。各接收站基于从处理站接收到的窗口偏移和/或大小设置命令记录从空间飞行器接收到的信号序列，并将该序列发送至处理站。处理站接收新记录的信号序列。处理站重新计算即更新空间飞行器位置估计，重新计算接收站和空间飞行器之间的距离的差，并最后计算要发射的新的窗口偏移和/或窗口大小。然后再次执行该跟踪循环。该系统和方法使得能够大大减少在接收站和处理站之间的通信链路上要传输的数据量。可由处理站特别地基于与空间飞行器位置有关的先验知识的精确度来调节并控制记录窗口大小。在本实施例中，处理站不仅向接收站发送偏移命令，而且还发送窗口大小命令。偏移命令确定记录窗口的开始，而大小命令确定记录窗口的大小。在一个实施例中， 考虑到包括例如一天内或演习后由卫星径向运动引起的时间变化或者由大气引入的延迟变化等的、系统的所有或大部分未知的时间相关参数，记录窗口的大小是预先确定的而不被调节。跟踪卫星位置与有效利用以前的位置知识来确定偏移及可选的记录窗口大小，这两者紧密相关。在一个实施例中，实时执行跟踪。这里，“实时”表示具有与系统应答有关的操作期限，以使得可以快速且成功地进行演习评估。实时跟踪和位置控制对于使用卫星在线引擎 (satellite on-board engine)的位置控制和演习来说可能至关重要。在一个实施例中，对于跟踪，使用在接收站处每秒进行一次记录操作的频率 (rate)，并由此产生一次位置估计。在一个实施例中，跟踪所用的频率为每0. 1秒一次记录操作至每M小时一次记录操作。当使用窗口跟踪时，针对下一次重复，检测相关峰的位置并且使窗口偏移以使这些窗口各自在内容上的重叠最大化，从而由此跟踪信号之间的时间差。由于卫星通常随着时间相对于接收站进行相当低速且恒定的运动，因此卫星允许进行用于这种跟踪的位置预测。在使用跟踪的一个实施例中，在第一记录操作和第二记录操作之间基于从第一记录操作估计出的空间飞行器位置来计算偏移。例如，第一记录操作和第二记录操作可以间隔了 0. 1秒 12小时。第一记录操作和第二记录操作可以是两次连续的记录操作。在一个实施例中，接收站至少之一位于空间飞行器的主瓣下行链路覆盖区的外部。该结构特别适合于估计使用具有窄辐射束图案的非各向同性或定向天线与地球上的有限区域通信的空间飞行器的位置，同时允许接收站彼此相距足够远以提供好的角分辨率 (angular resolution)来确定空间飞行器位置。此外，接收站彼此相距越远，分辨率越好。这可以进一步解释如下。该系统基于使所记录的信号相关。因而，由于相关技术固有的处理增益，虽然相关增益(correlation gain)主要决定于信号带宽与记录窗口的采样时间相乘的乘积，在相关处理中可以使用具有低或负S/N(信噪)比的信号。因此，相关增益被用来补偿单个信号的低或负S/N比，并且该相关仍可以提供有意义的峰。在一个实施例中，各记录窗口的持续时间足够小，以使得多普勒效应(Doppler effect)、(可能引起失真的)大气效应以及接收站的接收前端的缺陷对由处理站进行的相关无明显影响，或者换言之，以使得相关处理不受由多普勒效应、大气引入的失真和接收站的前端缺陷引起的频率移动太大影响。在一个实施例中，记录窗口至少之一的大小为4微秒 10毫秒。在一个实施例中， 各记录窗口的大小为4微秒 10毫秒。对于空间飞行器应用，这些实施例在以下两者之间提供了好的折中其一是具有足够长的记录窗口以获得有意义的相关峰，其二是具有足够短的记录窗口以减轻接收站和处理站之间的通信链路上的负荷。在一个实施例中，估计非对地静止卫星的位置。在一个实施例中，从接收站发送至处理站的数据包含与窗口有关的任何形式的时间信息。本发明还涉及一种使用多个接收站和处理站来估计空间飞行器位置的方法，所述多个接收站用于接收从所述空间飞行器发射的信号，并且所述处理站用于接收来自所述多个接收站的数据。该方法包括记录和发射过程以及相关过程。所述记录和发射过程包括利用各接收站在此处被称为记录窗口的时间窗口内记录从所述空间飞行器发射的信号，并且利用各接收站将表示在所述记录窗口内记录的信号的数据发射至所述处理站。与各接收站相关联的记录窗口彼此偏移和/或具有不同的大小。所述相关过程包括利用所述处理站使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站中的至少一对，分别估计所述空间飞行器和一对接收站中的各接收站之间的距离的差，并基于此估计所述空间飞行器的位置。本发明还涉及一种用于参与估计空间飞行器位置的接收站。所述接收站包括第一接收器、第二接收器、记录器和发射器。所述第一接收器用于接收从所述空间飞行器发射的信号。所述第二接收器用于从处理站接收作为针对记录窗口的开始的指令的触发时间指示和/或作为针对所述记录窗口的大小的指令的窗口大小指示。所述记录器用于在根据所接收到的触发时间指示和/或窗口大小指示而开始的记录窗口内，记录从所述空间飞行器发射的信号。所述发射器用于将表示在所述记录窗口内记录的信号的数据发射至所述处理站。本发明还涉及一种用于参与估计空间飞行器位置的处理站。所述处理站包括发射器、接收器和相关器。所述发射器用于将涉及此处被称为记录窗口的时间窗口的开始的触发时间指示和/或作为针对所述记录窗口的大小的指令的窗口大小指示发射至用于接收从所述空间飞行器发射的信号的多个接收站中的每个接收站。所述接收器用于从各所述多个接收站接收表示在所述记录窗口内记录的从所述空间飞行器发射的信号的数据。与各接收站相关联的记录窗口彼此偏移和/或具有不同的大小。所述相关器用于使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站中的至少一对接收站，分别估计所述空间飞行器和一对接收站中的各接收站之间的距离的差，并基于所述距离差估计所述空间飞行器位置。本发明还涉及一种计算机程序，被配置为当在接收站上或处理站上运行时，分别执行本发明的上述方法中与接收站有关的过程或与处理站有关的过程。
现在将结合附图来说明本发明的实施例，其中图1示意性示出根据本发明的一个实施例的系统，其中，在该图下部示出窗口偏移和个体窗口大小设置；图2、3a和北示意性示出根据本发明的实施例的方法；图4示意性示出根据本发明的一个实施例的接收站；图5示意性示出根据本发明的一个实施例的处理站；图6示出与三对接收站A-B、B_C和C-D相关联的48小时内范围差的示例，以辅助理解与记录窗口大小相关联的问题；图7a示出接收站B和C之间的48小时内范围差的示例；图7b示出两个接收站B和C的记录窗口的示例；以及图8示出在空间飞行器位置跟踪系统的场景下、两个接收站B和C在时间t和t+1 时的记录窗口的示例。
具体实施例方式现在将结合具体实施例来说明本发明。应当注意，这些具体实施例用来向技术人员提供更好的理解，而无意以任何方式限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。特别地，只要整个说明书中单独说明的实施例不彼此排斥，就可以组合这些实施例以形成其它的实施例。图1示意性示出根据本发明的一个实施例的空间飞行器6，位于地球表面上不同的位置处的接收站^、4b、k、4d以及处理站2。如由从空间飞行器6产生的虚线箭头所示， 空间飞行器6向接收站发出射频信号。在接收站如、仙、如、4(1处接收到从空间飞行器6发射的射频信号。接收站4a、4b、4c、4d各自在特定的记录窗口 &a、84b、84。、84d内记录所接收到的射频信号序列。接收站4a、4b、4c、4d预先并不知道信号序列的性质或内容，因此在这些接收站处不执行所接收到的信号序列与预定序列或已知模式之间的相关。不要求空间飞行器6 发送专用的测距信号、数字比特序列或记录触发序列。对于估计处理，可以使用由空间飞行器6辐射的任何有效载荷或通信通道信号，包括中继的数字或模拟有效载荷信号、遥测信标(telemetry beacon)或者发身寸应答器管噪声(transponder tube noise)。将所接收到的信号序列从接收站^、4b、k、4d发射至处理站2。可以对这些信号序列进行数字化以供发射。如图1的下部示意性示出的，接收站4a、4b、4c、4d各自被配置为分别在记录窗口 84a、84b、84。、84d内记录所接收到的信号。记录窗口 84卩84)3、84。、84(1相对于公共时刻(如由图 1的左下部处的垂直虚线所示)分别偏移了偏移量At4a、At4b, At4c, At4d(其中，Δ是希腊字母delta，并且这里表示偏移量)。因此，一对接收站^、4b的记录窗口 84a、84b之间的偏移量等于Δ t4b- Δ t4a，并且在图1的示例例示中为负值。第二对接收站4b、k的记录窗口 84b、84。的开始之间的偏移量等于At4c-At4b,并且在图1的示例例示中为负值。最后，第三对接收站如、4d的记录窗口 &。、84d 之间的偏移量等于At4d-At4c,并且在图1的示例例示中为正值。记录窗口84a、84b、84c、84d 的大小分别为 Size4a,Size4b,size4c,Size4do 如所示出的， 可以针对各记录窗口 8单独设置大小，因此这些大小可能彼此不同。使用与接收站4相关联的不同的窗口大小减少了用于相关处理的记录窗口 8的内容上的最大重叠。图1示出使用了窗口偏移和个体大小设置这两者。还可以仅使用这两个技术中的一个。接收站的数量不限于四个。如果可以获得与空间飞行器的位置有关的先验信息， 则空间飞行器定位系统可以仅包括一对接收站或者仅包括两对接收站。同样，可以使用四个以上的接收站形成三对以上的接收站来提高估计精度。将在接收站^、4b、k、4d处记录的信号序列发送至处理站2，在处理站2中以对为单位执行相关。还可以确定各个接收站4处的记录窗口要使用的下一偏移量。基于到达时间差(TD0A ；位于地球上已知位置处的各个接收站处的到达时间差) 计算来确定空间飞行器6的位置。这可以可视化并且在数学上可作为双叶双曲面的交点的确定来进行求解。如上所述，通过识别与一对接收站4相关联的相关峰来获得各双曲面。可以通过对非线性方程组(system of nonlinear equation)求解来确定双叶双曲面的交点， 从而估计空间飞行器位置。在无法找到非线性方程组的解的情况下，可以选择根据最小二乘法等而言的最优解或最接近解作为空间飞行器位置。可以在(未示出的)计算机屏幕上提供与卫星位置有关的信息，以辅助用户判断是否应当进行演习或是否已经如所预期地执行了演习，或者辅助用户计算空间飞行器的轨道。与卫星位置有关的信息可以采用包括可视化或数学表达式的任何形式。此外，可以以任何形式将与卫星位置有关和/或与空间飞行器和多个接收站之间的距离的差有关的信息提供给任何其它系统，所述其它系统使用这些信息作为针对与本发明的系统一体化或从本发明的系统分离出的处理的输入。图2示出根据本发明的一个实施例的方法。该方法包括记录和发射过程110，记录和发射过程Iio包括利用各接收站4在记录窗口 8内记录从空间飞行器6发射的信号的记录112以及利用各接收站4将表示在记录窗口 8内已经记录了的记录信号的数据发射至处理站2的发射114。如上所述，与各接收站4相关联的记录窗口 8彼此偏移和/或具有不同的大小。该方法还包括相关过程120，相关过程120包括利用处理站2使所记录的信号相关，以估计空间飞行器6与一对接收站4 (以及以此类推，与其它成对的接收站4，如果存在的话)中的每一个接收站之间的距离的差，并基于此估计空间飞行器位置。以对为单位进行相关以识别相关峰。考虑到有意定义的偏移，相关峰在时间上的位置与空间飞行器6和一对接收站4中的每一个接收站之间的到达时间的差相对应，因而还与空间飞行器6和一对接收站4中的每一个接收站之间的距离的差相对应。该方法不需要知道接收站4和空间飞行器6之间的实际距离来作为针对位置估计处理的输入。该方法既不需要知道与信号从空间飞行器6发射的发射时间有关的任何信息，也不需要知道与从空间飞行器6发射的信号的性质有关的任何信息，来作为针对位置估计处理的输入。图3a示出根据本发明的一个实施例的方法。该方法与图2的方法的不同之处在于，作为相关过程120的结果，不仅获得与空间飞行器位置有关和/或与空间飞行器和多个接收站之间的距离的差有关的信息，还计算出新的偏移和/或窗口大小命令并且将该新的偏移和/或窗口大小命令从处理站2发送至接收站4。因此，基于与空间飞行器6的位置 (和已知的两个接收站4的位置)有关的信息来计算与这两个接收站4相关联的记录窗口之间的偏移和/或记录窗口各自的窗口大小。现在将参考图: 来解释在根据另一实施例的包括位置跟踪的方法的场景下，记录窗口8的时间偏移以及记录窗口8的大小的设置。反复调节偏移参数和大小参数。图北示出反馈回路，并且示出偏移、大小设置(即，设置个体窗口的大小)和跟踪的创新步骤。现在考虑两个接收站^、4b以及它们相应的记录窗口 84a、84b。可以将记录窗口 84a、84b的大小均设置为足够大以覆盖与接收站^、4b各自相关联的最大范围差(这里，所述范围被称为“Max range diff A-B")及上空。差Max range diff A_B等于接收站如和 4b之间的地面基线距离。如果使用了更多的接收站^、4b、k、4d，则窗口大小必须考虑最大的范围差，例如Max range diffC-D。如果不知道范围差值的先验知识131 ( “否”)，则将记录窗口 84a、84b、84。、84d的大小设置132为相同的Max range diff C-D可用作为初始值 (但并不是在整个跟踪处理中)。可以通过以下的任一个或其组合得出范围差值的先验知识-卫星轨道预测(开普勒轨道根数(Ifeplerianelements))，-位于对地静止轨道弧上的卫星的经度的信息，-对地静止轨道弧上的卫星(在箱中)的近似位置的信息，-从任何(以前的)测量(例如，天线指向)得出的信息，-从(成为当前迭代的背景的先验知识的)以前的相关得出的信息。如果已知范围差值的先验知识131( “是”)，则可以使用该先验知识来设置133记录窗口 8的大小和记录窗口 8之间的时间偏移。如果没有可用的先验知识，则不设置偏移。然后，可以对输入至相关处理的数据进行最优化134。该最优化134可以包括a)将与接收站如相关联的窗口大小缩放为得到足够的相关峰所需的最小值(将可用信号带宽乘以采样时间或“BW*t积”)。b)选择与接收站4b相关联的窗口大小，以与在步骤133中获得的范围差预测精度一致。然后对在记录窗口 8&和S4b内记录的信号序列进行记录112、发射114和相关120。 相关120涉及相关峰位置检测。范围差是相关峰位置和如在步骤133设置的窗口偏移(如果存在的话)的和。然后可以进行相关跟踪参数的生成135。一旦找到了峰位置，就可以缩小记录窗口 84b的大小，以去除未承载用于与记录窗口 S4a相关的有关内容的上空。可以缩小记录窗口 84b的大小直至记录窗口 &的大小。然而，优选在记录窗口 84b的大小中保持一些余量， 以补偿空间飞行器或卫星随着时间经过的运动，直到即将到来的记录迭代为止。在步骤120 计算出的范围差提供了更新后的“窗口偏移”参数值。在步骤135计算出的大小提供了更新后的“窗口大小”参数值。然后，这些新的值可以使用在针对同一组数据或针对时间上稍晚记录的第二组数据(“跟踪”)的下一次迭代上。由从图北的下部开始的、位于框135之后并且通向框133的箭头示出下一次迭代中使用所生成的参数值。跟踪可以利用一次在先测量或者与几个迭代相对应的几次在先测量。图4示出根据本发明的一个实施例的接收站4。接收站4参与估计空间飞行器6 的位置。为此，接收站4与处理站2协作。接收站4包括天线42或天线单元42、第一接收器44或第一接收单元44、记录器48或记录单元48、发射器49或发射单元49以及第二接收器46或第二接收单元46。天线42用于从要估计其位置的空间飞行器6接收信号。天线42连接至用于通过天线42接收从空间飞行器6发射的信号的第一接收器44。第二接收器46用于从处理站2 接收作为针对记录窗口 8的开始的指令的(与时间偏移相对应的)触发时间指示和/或作为针对记录窗口 8的大小的指令的(与持续时间相对应的)窗口大小指示。记录器48用于在根据从处理站2接收到的触发时间指示和/或窗口大小指示而开始的记录窗口 8内记录从空间飞行器6发射的信号。记录器48可被配置为在由从处理站2接收到的触发时间指示表示的时间点，根据该触发时间指示启动模拟-数字转换器，从而在记录窗口 8内记录信号。可以基于所提供的(在接收站4之间实现同步的)同步时间基础来触发模拟-数字转换器。发射器49用于将表示在记录窗口 8内记录的信号的数据发射至处理站2。图5示出根据本发明的一个实施例的处理站2。处理站2参与估计空间飞行器6 的位置。为此，处理站2与接收站4协作。处理站2包括发射器22或发射单元22、接收器 24或接收单元M以及相关器沈或相关单元26。发射器22用于向用于接收从空间飞行器 6发射的信号的多个接收站4分别发射涉及记录窗口 8的开始的触发时间指示和/或作为针对记录窗口 8的大小的指令的窗口大小指示。换言之，触发时间指示是使接收站4开始记录从空间飞行器6接收到的信号的指令。窗口大小指示是使接收站4在窗口大小内记录从空间飞行器6接收到的信号的指令。记录窗口8的大小可以是接收站4内(例如其存储单元内)设置的默认值，或者是由处理站2作为指令发送至接收站4的。记录窗口大小还可被配置为考虑到与空间飞行器6的位置有关的先验知识。接收器M用于从多个接收站4中的每一个接收表示在记录窗口 8内记录的从空间飞行器6发射的信号的数据。与各接收站4相关联的记录窗口 8被配置成彼此偏移和/ 或具有不同的大小。相关器26用于使所记录的信号相关，以估计空间飞行器6的位置。相关器26根据上述三维双曲线定位方法来估计空间飞行器的位置。设置了偏移和/或大小计算器观或者偏移和/或大小计算单元观，用于基于使用从相关器26获得的信息计算出的空间飞行器位置和/或空间飞行器与多个接收站之间的距离的差，来计算与各接收站4的记录窗口 8相关联的偏移和/或窗口大小。本发明的实施例所提供的优势包括-不需要往返行程延迟测量，并且不需要任何专用的测距信号上行链路配置；-不需要与关于定时、载荷、队列和访问等的上行链路状况(从接收站到空间飞行器6的链路)有关的知识；-卫星发射单元不需要所发射的信号的时间戳；-在接收站处不需要进行解码或解调制，由此减小了由接收站在将所记录的序列与时间信息相关联并将所记录的信号发送至处理站2之前引入的延迟(然而，可以执行向下变频和模拟-数字(A/D)转换)。现在参考图6，将进一步解释与记录窗口 8的大小相关的问题。图6示出实际系统中的范围差值和偏离(例示出了样本，这解释了数据的间歇特征)。该系统包括记录由对地静止卫星广播的公共信号并对该公共信号加时间戳的四个接收站4 (这里表示为A、B、C和 D)。相关处理使用接收站4对输入信号进行采样的记录窗口。可以对所有的接收站使用单个公共记录窗口，由此可以定义公共记录开始时间和公共记录大小(持续时间)。然而，由于卫星-地面站信号传播时间(往返行程距离约77000公里，往返行程延迟约258毫秒)，因此对基于卫星的系统使用一个公共记录窗口产生了实施限制。该实施限制包括记录时间内由(产生在相关之前必须减轻的失真的)多普勒(Doppler)效应引起不同频率偏离和大量的采样数据要发射至中央处理站。因此，使用单个公共记录窗口不能令人满意。为了例示本发明所提出的问题和方案这两者，这里呈现了基于实际收集到的数据的数值例子-卫星位于对地静止轨道弧上19.2E处；-四个接收站分布在欧洲的位于泛欧洲卫星波束下的3000公里的基线(卢森堡、 斯德哥尔摩、罗马和马德里)中；以及-48小时的观察时间。在该例子中，针对所有接收站的单个公共记录窗口将产生约MOO公里加10%的安全余量，从而需要9毫秒长的记录窗口。针对每个接收站使用偏移窗口使得能够减少每个站所需的记录时间，并由此减少外部影响。参考图7a和图7b，将进一步解释偏移窗口以及记录窗口的位置和大小。图7a示出 48小时内接收站B和C之间的范围差(在该例子中，针对每日变化(daily variation)大的情况)的标绘。平均"Avg(B-C) ”范围差的估计确定了接收站B和C的记录窗口之间的偏移。由于可在卫星运动中(和在范围差方程式B-C中)识别出每日模式(daily pattern), 因此不得不为了覆盖在平均位置附近的方程式的每日变化而确定记录窗口的大小。图7b示出接收站B和C的记录窗口、与Avg(B-C)相对应的偏移以及窗口大小。通过以下得出窗口大小。窗口大小=max (每日变化，位置估计余量)+记录余量该例子中的每日变化等于3. 9公里。位置估计余量必须覆盖卫星运动到每日变化预测之外(例如，演习、除对地静止轨道以外的其它轨道)的可能性。在该例子中，以及对于两个特定的接收站(B和C)，可以以几何方式示出卫星在对地静止轨道弧上200公里处的立方盒中运动导致接收站B和C之间的20公里的最大范围差。必须设置额外的安全记录余量，以确保针对这两个窗口的卫星发射信号的公共部分之间存在足够的信号重叠。对于 25MHz带宽信号，估计用以拒绝误相关峰(false correlation peak)的样本的最少数量为 200个样本(按50MHz采样频率的4毫秒)。于是，窗口大小为以下。
权利要求
1.一种用于估计空间飞行器(6)的位置的系统，包括多个接收站G)，用于接收从所述空间飞行器(6)发射的信号；以及处理站O)，用于接收来自所述多个接收站的数据；其中，各接收站⑷用于在此处被称为记录窗口⑶的时间窗口⑶内记录从所述空间飞行器(6)发射的信号，并将表示在所述记录窗口(8)内记录的信号的数据发射至所述处理站 ⑵；与各接收站(4)相关联的记录窗口(8)彼此偏移和/或具有不同的大小；以及所述处理站( 用于使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站(4)中的至少一对接收站，分别估计所述空间飞行器(6)和一对接收站(4)中的各接收站之间的距离差，并且基于所述距离差估计所述空间飞行器(6)的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，基于与所述空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息以及两个接收站(4)的位置来计算与这两个接收站(4)相关联的记录窗口(8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，由所述处理站( 来计算所述偏移和/或大小。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，为了估计并跟踪所述空间飞行器(6)的位置，基于或进一步基于如由所述处理站(2)估计出的与所述空间飞行器(6) 的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息来计算与两个接收站(4)相关联的记录窗口 (8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在第一记录操作和第二记录操作之间基于从所述第一记录操作估计出的空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差来计算所述偏移和/或大小。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，至少一个接收站(4)位于所述空间飞行器(6)的主瓣下行链路覆盖区的外部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，各记录窗口(8)的大小为4微秒 2毫秒。
8.一种使用多个接收站(4)和处理站( 来估计空间飞行器(6)的位置的方法，所述多个接收站(4)用于接收从所述空间飞行器(6)发射的信号，所述处理站(2)用于接收来自所述多个接收站(4)的数据，所述方法包括记录和发射过程(110)，其包括利用各接收站(4)在此处被称为记录窗口(8)的时间窗口⑶内记录从所述空间飞行器(6)发射的信号(112)，以及利用各接收站⑷将表示在所述记录窗口(8)内记录的信号的数据发射至所述处理站0)(114)；其中，与各接收站(4)相关联的记录窗口(8)彼此偏移和/或具有不同的大小；以及相关过程(120)，其包括利用所述处理站( 使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站中的至少一对接收站，分别估计所述空间飞行器(6)和一对接收站中的各接收站之间的距离差，并基于所述距离差估计所述空间飞行器(6)的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于与所述空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息以及两个接收站(4)的位置来计算与这两个接收站(4)相关联的记录窗口(8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，利用所述处理站( 来计算所述偏移和 /或大小。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了估计并跟踪所述空间飞行器(6)的位置，基于或进一步基于如由所述处理站(2)估计出的与所述空间飞行器 (6)的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息来计算与两个接收站(4)相关联的记录窗口(8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在第一记录操作和第二记录操作之间基于从所述第一记录操作估计出的空间飞行器(5)的位置和/或至少一个所述距离差来计算所述偏移和/或大小。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个接收站(4)位于所述空间飞行器(6)的主瓣下行链路覆盖区的外部。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法，其特征在于，各记录窗口(8)的大小为 4微秒 2毫秒。
15.一种接收站G)，用于参与估计空间飞行器(6)的位置，所述接收站(4)包括 第一接收器(44)，用于接收从所述空间飞行器(6)发射的信号；第二接收器(46)，用于从处理站(2)接收作为针对时间窗口(8)的开始的指令的触发时间指示和/或作为针对所述时间窗口(8)的大小的指令的窗口大小指示；记录器(48)，用于在根据所接收到的触发时间指示和/或窗口大小指示而开始的时间窗口(8)内，记录从所述空间飞行器(6)发射的信号，所述时间窗口(8)此处被称为记录窗口 (8)；以及发射器(49)，用于将表示在所述记录窗口(8)内记录的信号的数据发射至所述处理站⑵。
16.根据权利要求15所述的接收站G)，其特征在于，所述接收站(4)位于所述空间飞行器(6)的主瓣下行链路覆盖区的外部。
17.—种处理站O)，用于参与估计空间飞行器(6)的位置，所述处理站( 包括 发射器(22)，用于将作为针对此处被称为记录窗口(8)的时间窗口(8)的开始的指令的触发时间指示和/或作为针对所述记录窗口(8)的大小的指令的窗口大小指示发射至用于接收从所述空间飞行器(6)发射的信号的多个接收站中的每个接收站；接收器(M)，用于从各所述多个接收站(4)接收表示在所述记录窗口(8)内记录的从所述空间飞行器(6)发射的信号的数据；其中，与各接收站(4)相关联的记录窗口(8)彼此偏移和/或具有不同的大小；以及相关器(26)，用于使所记录的信号相关，以针对所述多个接收站中的至少一对接收站，分别估计所述空间飞行器(6)和一对接收站(4)中的各接收站之间的距离差，并基于所述距离差估计所述空间飞行器(6)的位置。
18.根据权利要求17所述的处理站O)，其特征在于，所述处理站(2)基于与所述空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息以及两个接收站(4)的位置来计算与这两个接收站(4)相关联的记录窗口(8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
19.根据权利要求17或18所述的处理站O)，其特征在于，为了估计并跟踪所述空间飞行器(6)的位置，所述处理站(2)基于或进一步基于如由所述处理站(2)估计出的与所述空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差有关的信息来计算与两个接收站(4) 相关联的记录窗口(8)之间的偏移和/或记录窗口(8)各自的大小。
20.根据权利要求19所述的处理站O)，其特征在于，在第一记录操作和第二记录操作之间基于从所述第一记录操作估计出的空间飞行器(6)的位置和/或至少一个所述距离差来计算所述偏移和/或大小。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的处理站O)，其特征在于，各记录窗口(8) 的大小为4微秒 2毫秒。
22.—种计算机程序，被配置为当在接收站(4)上或在处理站( 上运行时，分别执行根据权利要求8至14中任一项所述的方法中与接收站有关的过程或与处理站有关的过程。
全文摘要
公开了一种用于估计空间飞行器(6)的位置的系统。该系统包括接收站(4)，用于接收从空间飞行器(6)发射的信号；和处理站(2)，用于接收来自接收站(4)的数据。各接收站(4)在记录窗口(8)内记录从空间飞行器(6)发射的信号，并将表示在记录窗口(8)内记录的信号的数据发射至处理站(2)。与各接收站(4)相关联的记录窗口(8)彼此偏移和/或具有不同的大小。处理站(2)使所记录的信号相关，以估计空间飞行器(6)和多个接收站中的每个接收站之间的距离的差，进而估计空间飞行器(6)的位置。还公开了相应的方法、接收站(4)、处理站(2)和计算机程序。
文档编号G01S5/00GK102165332SQ200980137639
公开日2011年8月24日 申请日期2009年7月23日 优先权日2008年7月24日
发明者乔吉斯·克里尔, 乔斯·乌特斯, 居伊·阿勒, 马克·锡尔, 马库斯·格罗斯 申请人:Ses阿斯特拉有限公司