估計(jì)航天器或飛行器發(fā)射的目標(biāo)信號路徑差的校準(zhǔn)方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)由航天器或飛行器(21)發(fā)射的目標(biāo)信號所跟隨的分別到達(dá)接收基站的第一接收天線(32a)和第二接收天線(32b)的兩個路徑之間的行程差的方法(50)。該方法(50)包括：測量與在第一接收天線(32a)和第二接收天線(32b)上接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的有用相位差的步驟(500)；以及根據(jù)有用相位差的測量來估計(jì)行程差的步驟(502)。所述方法(50)還包括：將校準(zhǔn)信號發(fā)射至接收基站的步驟(504)；測量與在第一接收天線(32a)和第二接收天線(32b)上接收的校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的信號之間的校準(zhǔn)相位差的步驟(506)；以及根據(jù)有用相位差的測量而補(bǔ)償校準(zhǔn)相位差的測量的變化的步驟(508)。本發(fā)明還涉及一種用于估計(jì)行程差的系統(tǒng)(30)。
【專利說明】估計(jì)航天器或飛行器發(fā)射的目標(biāo)信號路徑差的校準(zhǔn)方法和 系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于航天器或飛行器觀測的領(lǐng)域，并且更具體地，涉及一種用于估計(jì)由所 述飛行器發(fā)射的稱為"目標(biāo)信號"的信號所跟隨的分別到達(dá)接收基站的第一接收天線和第 二接收天線上的兩個路徑之間的行程差的系統(tǒng)和方法。
[0002] 盡管以非限制性的方式，然而本發(fā)明尤其有利地適用于特別針對對地靜止軌道 (GE0)中的衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道恢復(fù)。

【背景技術(shù)】
[0003] 圖1示出了用于恢復(fù)GE0軌道中的衛(wèi)星20的軌道的已知系統(tǒng)10。
[0004] 已知的軌道恢復(fù)系統(tǒng)10包括由第一接收天線12a和第二接收天線12b構(gòu)成的接 收基站。衛(wèi)星20發(fā)射目標(biāo)信號到地球，并且該目標(biāo)信號被接收基站的第一接收天線12a和 第二接收天線12b中的每個接收天線接收。
[0005] 例如，尤其通過估計(jì)所述目標(biāo)信號所跟隨的分別到達(dá)接收基站的第一接收天線 12a和第二接收天線12b上的兩個路徑之間的行程差，來恢復(fù)衛(wèi)星20的軌道。
[0006] 根據(jù)與第一接收天線12a和第二接收天線12b上分布接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信 號之間的相位差，來估計(jì)圖1中標(biāo)記為"dm"的行程差。
[0007] 行程差dm例如用于估計(jì)圖1中標(biāo)記為" Θ "的目標(biāo)信號相對于接收基站的到達(dá)方 向，這通常是通過假定所述到達(dá)方向Θ對于第一和第二接收天線12a、12b中的每一個都相 同來實(shí)現(xiàn)的（該近似在如下假設(shè)下有效：接收基站和衛(wèi)星20之間的距離遠(yuǎn)大于圖1中標(biāo)記 為"db"的第一接收天線12a與第二接收天線12b之間的距離）。根據(jù)另一示例，通過可能 地考慮其他測量結(jié)果和/或信息，行程差dm直接用于衛(wèi)星20的軌跡模型以直接恢復(fù)所述 衛(wèi)星的軌道。
[0008] 處理裝置14執(zhí)行第一和第二接收天線12a、12b上接收的所述信號的處理操作。處 理裝置14分別通過第一接收鏈16a和第二接收鏈16b而關(guān)聯(lián)于第一和第二接收天線中的 每一個。
[0009] 通常，接收基站的第一和第二接收天線12a、12b之間的距離db越大，行程差dm的 估計(jì)就越準(zhǔn)確。在已知的GE0軌道恢復(fù)系統(tǒng)10中，距離db約為幾百米。
[0010] 然而，行程差估計(jì)的準(zhǔn)確性很大程度上取決于相位差測量的準(zhǔn)確性，而相位差測 量的準(zhǔn)確性取決于由第一和第二接收天線12a、12b接收的目標(biāo)信號的信號噪聲/干擾比。 因此，如果該信號噪聲/干擾較低，則估計(jì)的準(zhǔn)確性將較低，并且對第一和第二接收鏈16a、 16b的相位穩(wěn)定更加敏感。實(shí)際上，測量的相位差的變化包括由行程差dm的變化引起的變 化和關(guān)聯(lián)于第一和第二接收鏈16a、16b的相位不穩(wěn)定的變化二者。
[0011] 為了提高信號噪聲/干擾比，第一和第二接收天線12a、12b是高度定向的，以具有 非常顯著的各自的天線增益。為了減少關(guān)聯(lián)于第一和第二接收鏈16a、16b的相位不穩(wěn)定的 變化，構(gòu)成所述第一和第二接收鏈的元件自身必須是非常穩(wěn)定的，并且通常是硬的。
[0012] 為了獲得良好的性能水平，這種已知的GEO軌道恢復(fù)系統(tǒng)10是復(fù)雜的且制造成本 商。
[0013] 此外，已知的GE0軌道恢復(fù)系統(tǒng)10涉及將（載波頻率或中頻上的）無線電頻率信 號傳輸至執(zhí)行數(shù)字化的處理裝置14。這也造成高成本和托管估計(jì)系統(tǒng)的站點(diǎn)上的土木工程 問題（纜線的可接受曲率半徑、衰減等）。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)解決方案的全部或一些限制，尤其是上文所說明的 那些。
[0015] 為此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)由航天器或飛行器發(fā)射的稱為"目 標(biāo)信號"的信號相對于接收基站的行程差或到達(dá)方向的方法，其中所述接收基站包括第一 接收天線和第二接收天線，所述方法包括測量與分別在第一接收天線和第二接收天線上接 收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的稱為"有用相位差"的相位差的步驟，和根據(jù)有用相位差 的測量估計(jì)行程差或到達(dá)方向的步驟。
[0016] 所述方法還包括以下步驟：
[0017] -借助于發(fā)射天線，將稱為"校準(zhǔn)信號"的信號發(fā)射至接收基站；
[0018] -測量與分別在第一接收天線和第二接收天線上接收的校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的信號之 間的稱為"校準(zhǔn)相位差"的相位差；
[0019] -根據(jù)有用相位差測量而補(bǔ)償校準(zhǔn)相位差測量的變化。
[0020] 根據(jù)特定實(shí)現(xiàn)，所述方法包括單獨(dú)的或所有技術(shù)上可能組合的一個或更多個以下 特征。
[0021] 在特定實(shí)現(xiàn)中，測量校準(zhǔn)相位差的步驟包括使分別在第一接收天線和第二接收天 線上接收的信號與發(fā)射的校準(zhǔn)信號相關(guān)，或者借助于FFT或PLL分析分別在第一接收天線 和第二接收天線上接收的所述信號。
[0022] 在特定實(shí)現(xiàn)中，以至少部分重疊各自頻帶的方式發(fā)射校準(zhǔn)信號和目標(biāo)信號。
[0023] 在特定實(shí)現(xiàn)中，校準(zhǔn)信號和目標(biāo)信號同時發(fā)射。在特定實(shí)現(xiàn)中，連續(xù)發(fā)射校準(zhǔn)信 號。
[0024] 在特定實(shí)現(xiàn)中，校準(zhǔn)信號基本上是正弦信號或具有由擴(kuò)頻碼擴(kuò)展的頻譜的信號。
[0025] 在特定實(shí)現(xiàn)中，分別在第一接收天線和第二接收天線上接收的信號被異步模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字化、經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)被傳送至處理裝置并且通過與發(fā)射的校準(zhǔn)信號相關(guān)而被 所述處理裝置重新同步。
[0026] 根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，其用于估計(jì)由航天器或飛行器發(fā)射的稱為 "目標(biāo)信號"的信號相對于所述系統(tǒng)的接收基站的行程差或到達(dá)方向，其中所述接收基站包 括第一接收天線和第二接收天線，所述系統(tǒng)還包括適于測量與分別在第一接收天線和第二 接收天線上接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的稱為"有用相位差"的相位差的裝置，和適 于根據(jù)有用相位差的測量來估計(jì)行程差的裝置。所述系統(tǒng)包括：
[0027] -適于借助于發(fā)射天線將稱為"校準(zhǔn)信號"的信號發(fā)射至接收基站的發(fā)射器，
[0028] -適于測量與分別在第一接收天線和第二接收天線上接收的校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的信 號之間的稱為"校準(zhǔn)相位差"的相位差的裝置，
[0029] -適于根據(jù)有用相位差測量而補(bǔ)償校準(zhǔn)相位差測量的變化的裝置。
[0030] 根據(jù)特定實(shí)施方式，所述系統(tǒng)包括單獨(dú)的或所有技術(shù)上可能組合的一個或更多個 以下特征。
[0031] 在特定實(shí)施方式中，適于測量校準(zhǔn)相位差的裝置被配置成執(zhí)行使分別在第一接收 天線和第二接收天線上接收的信號與所發(fā)射的校準(zhǔn)信號相關(guān)，或借助于FFT或PLL分析分 別在第一接收天線和第二接收天線上接收的所述信號。
[0032] 在特定實(shí)施方式中，接收基站的第一接收天線和第二接收天線是每個都具有寬度 等于或大于10°、優(yōu)選地等于或大于20°的主輻射波瓣的天線。
[0033] 在特定實(shí)施方式中，接收基站的第一接收天線和第二接收天線是喇機(jī)天線。
[0034] 在特定實(shí)施方式中，飛行器是對地靜止軌道中的衛(wèi)星，第一接收天線和第二接收 天線被定向成使得對地靜止軌道中的幾個衛(wèi)星在其主輻射波瓣中。
[0035] 在特定實(shí)施方式中，發(fā)射器的發(fā)射天線與第一接收天線和第二接收天線中的至少 一個之間的距離小于所述第一接收天線和所述第二接收天線之間的距離。
[0036] 在特定實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)包括若干發(fā)射天線。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 參照附圖，通過閱讀作為非限制性示例給出的以下描述，將更好地理解本發(fā)明，其 中：
[0038] -圖1 :已經(jīng)描述，是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的對地靜止軌道恢復(fù)系統(tǒng)的示意圖；
[0039] -圖2 :是根據(jù)本發(fā)明的信號行程差估計(jì)系統(tǒng)的示意圖；
[0040] -圖3 :示意性示出根據(jù)本發(fā)明的行程差估計(jì)方法的主要步驟；
[0041] -圖4 :是相對于由衛(wèi)星發(fā)射的信號產(chǎn)生很少干擾的校準(zhǔn)信號的示意圖；
[0042] -圖5 :是根據(jù)本發(fā)明的行程差估計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式的示意圖。
[0043] 在這些附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或類似的元素。為了清楚起見，所示的元 素不按比例繪制，除非另有規(guī)定。

【具體實(shí)施方式】
[0044] 本發(fā)明特別涉及一種用于估計(jì)由航天器或飛行器發(fā)射的稱為"目標(biāo)信號"的信號 所跟隨的分別到達(dá)所述接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b的兩個路徑之間 的行程差的系統(tǒng)30和方法50。
[0045] 在下文的描述中，通過干涉法測量執(zhí)行行程差的估計(jì)，參照圖1描述的其一般原 理是基于與由所述第一和第二接收天線32a、32b接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的相 位差的確定的。
[0046] 在下文的描述中，以非限制性方式采用的觀點(diǎn)是地球軌道中的飛行器的情況，更 具體地是對地靜止軌道中衛(wèi)星類型的飛行器的情況，估計(jì)系統(tǒng)30例如是對地靜止軌道恢 復(fù)系統(tǒng)的子系統(tǒng)。
[0047] 根據(jù)其他示例，不排除考慮行進(jìn)軌道、例如低地球軌道（LE0)或中地球軌道（ΜΕ0) 中的衛(wèi)星，或甚至考慮衛(wèi)星之外的飛行器，尤其是例如導(dǎo)彈、飛機(jī)、無人駕駛飛機(jī)、氣球、直 升機(jī)、衛(wèi)星發(fā)射裝置等的飛行器。
[0048] 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性行程差估計(jì)系統(tǒng)30。
[0049] 估計(jì)系統(tǒng)30的接收基站基本上位于地球表面上。"基本上在地球表面上"應(yīng)當(dāng)理 解成尤其是指在地面上、建筑物的頂部、標(biāo)塔的頂部、海上平臺上等。如圖2所示，接收基站 的第一和第二接收天線32a、32b例如是拋物面天線。
[0050] 為了估計(jì)由GE0軌道中的衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號的行程差，接收基站的第一和第 二接收天線32a、32b優(yōu)選地分開10米至1千米的距離。
[0051] 估計(jì)系統(tǒng)30還包括關(guān)聯(lián)于接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b的 處理裝置34,處理裝置34適于處理由所述第一和第二接收天線接收的信號。
[0052] 在特定實(shí)施方式中，如圖2所示，估計(jì)系統(tǒng)30包括適于將稱為"校準(zhǔn)信號"的信號 發(fā)射至接收基站的發(fā)射器。發(fā)射器包括基本上位于地球表面上的至少一個發(fā)射天線36和 校準(zhǔn)信號形成裝置。在估計(jì)系統(tǒng)30的特定實(shí)施方式中，發(fā)射天線36與第一和第二接收天 線32a、32b彼此固定，也就是說它們的相位中心相對于彼此固定。
[0053] 在圖2所示的非限制性示例中，校準(zhǔn)信號形成裝置是估計(jì)系統(tǒng)30的處理裝置34。 根據(jù)其他示例，不排除考慮不同于處理裝置34的校準(zhǔn)信號形成裝置。
[0054] 處理裝置34例如包括至少一個處理器和其中存儲有計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的至少一個 電子存儲器，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式是被執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的行程差估計(jì)方法50的 不同步驟的一組程序代碼。在變型中，處理裝置34還包括一個或更多個FPGA、PLD和其他 這樣類型的可編程邏輯電路，和/或適于實(shí)現(xiàn)估計(jì)方法50的所有或部分所述步驟的專用集 成電路（ASIC)。
[0055] 換句話說，處理裝置34包括由軟件（特定計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品）和/或硬件（FPGA、 PLD、ASIC等）配置以實(shí)現(xiàn)下文描述的估計(jì)方法50的不同步驟的一組裝置。
[0056] 圖3示出了用于估計(jì)由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號的行程差的方法50的示例性實(shí)現(xiàn) 的主要步驟。
[0057] 估計(jì)方法50包括以下步驟：
[0058] -測量500與目標(biāo)信號相對應(yīng)的兩個信號之間的稱為"有用相位差"的相位差， 這兩個信號是：由第一接收天線32a接收的第一信號和由第二接收天線32b接收的第二信 號；
[0059] -根據(jù)有用相位差的測量來估計(jì)502行程差。
[0060] 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)?shù)谝唤邮仗炀€32a和第二接收天線32b之間的距離大于發(fā)射目標(biāo)信 號的波長時，有用相位差的測量可以證明是模糊的。
[0061] 作為示例，對于傳統(tǒng)上認(rèn)為由GE0軌道中的衛(wèi)星用于通信的大約10GHz量級的頻 率，波長的量級從幾厘米至幾十厘米。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過考慮第一接收天線32a和第二接 收天線32b之間的10米至1千米的距離，有用相位差的測量可以證明是模糊的。
[0062] 可以通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他裝置來消除這種模糊，例如尤其借助于 衛(wèi)星20的軌道的某些參數(shù)的先驗(yàn)知識（所述軌道的開普勒參數(shù)及其物理特性：氣動阻力、 太陽輻射壓力系數(shù)等）。根據(jù)非限制性示例，反復(fù)執(zhí)行有用相位差的測量以獲得有用相位差 的變化的明確測量（通過基于行程差的最大變化速度的預(yù)定義知識來確保兩個連續(xù)測量 之間最大行程差變化與小于pi ( η )的有用相位差相對應(yīng)）。有用相位差變化的這種測量可 以被用于估計(jì)由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號的行程差變化。因此，假設(shè)可獲得時刻t0的行程 差估計(jì)（可能由其他裝置提供）以及時刻to與tl之間的行程差變化估計(jì)，可以估計(jì)時刻 tl的行程差。
[0063] 在圖3所示的非限制性示例中，用于估計(jì)目標(biāo)信號的行程差的方法50還包括以下 步驟：
[0064] -將校準(zhǔn)信號發(fā)射504至接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b ;
[0065] -由處理裝置34測量506與校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的兩個信號之間的稱為"校準(zhǔn)相位差" 的相位差，這兩個信號是：由第一接收天線32a接收的第一信號和由第二接收天線32b接收 的第二信號；
[0066] -根據(jù)有用相位差測量而補(bǔ)償508校準(zhǔn)相位差測量的變化。
[0067] 發(fā)射器的發(fā)射天線36相對于接收基站基本上是不動的，所以應(yīng)當(dāng)理解，校準(zhǔn)相差 變化主要是由于接收鏈的相位不穩(wěn)定造成的，所述接收鏈一方面將第一接收天線32a關(guān)聯(lián) 于處理裝置34而另一方面將第二接收天線32b關(guān)聯(lián)于所述處理裝置。
[0068] 由所述接收鏈引起的這些相位不穩(wěn)定與目標(biāo)信號的行程差無關(guān)。
[0069] 因此，校準(zhǔn)相位差變化構(gòu)成所述接收鏈的相位不穩(wěn)定的估計(jì)，并且因此能夠被用 于根據(jù)有用相位差測量而補(bǔ)償這些相位不穩(wěn)定。
[0070] 因此應(yīng)當(dāng)理解，由于校準(zhǔn)信號的發(fā)射和處理，由將第一和第二接收天線32a、32b 關(guān)聯(lián)于處理裝置34的接收鏈引起的相位不穩(wěn)定將能夠通過對校準(zhǔn)相位差測量和有用相位 差測量的適當(dāng)處理而得到補(bǔ)償。
[0071] 因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以放寬所述接收鏈上的設(shè)計(jì)約束。特別地，這些接收鏈 的相位穩(wěn)定可以小于現(xiàn)有技術(shù)解決方案的相位穩(wěn)定，因?yàn)榭梢越柚谛?zhǔn)信號的發(fā)射和處 理來補(bǔ)償可能的相位不穩(wěn)定。
[0072] 在特定實(shí)現(xiàn)中，在校準(zhǔn)相位差測量步驟506中，處理裝置34通過發(fā)射的校準(zhǔn)信號 而使分別在第一接收天線32a和第二接收天線32b上接收的信號相關(guān)，并且計(jì)算校準(zhǔn)相位 差作為通過相關(guān)而獲得的信號的相位之差。
[0073] 在圖2所示的情況下，其中處理裝置34還執(zhí)行校準(zhǔn)信號的形成，所述發(fā)射的校準(zhǔn) 信號是所述處理裝置直接已知的。當(dāng)校準(zhǔn)信號形成裝置不同于處理裝置34時，校準(zhǔn)信號例 如針對估計(jì)系統(tǒng)30是預(yù)定義的，并且參考校準(zhǔn)信號被存儲在處理裝置34的電子存儲器中， 所述參考校準(zhǔn)信號被用于與分別在接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b上接 收的信號相關(guān)。
[0074] "相關(guān)"應(yīng)當(dāng)理解為是指第一信號與第二信號的復(fù)數(shù)乘積，所述第二信號是先前共 軛的，接著是在滑動窗口上對所述乘積取平均。應(yīng)當(dāng)指出，由實(shí)際發(fā)射的校準(zhǔn)信號接收的信 號相關(guān)導(dǎo)致針對校準(zhǔn)相位差測量的信號噪聲/干擾比的改善。在實(shí)踐中，熱噪聲在滑動窗 口期間（例如，校準(zhǔn)信號期間）被平均，以使得熱噪聲的功率減小。此外，對于不同于校準(zhǔn) 信號的其他信號，例如由干擾發(fā)射器在所述校準(zhǔn)信號的頻帶中發(fā)射的信號或目標(biāo)信號，如 果這些信號呈現(xiàn)出與發(fā)射的校準(zhǔn)信號的弱相關(guān)，則這些信號的功率也減小。
[0075] 下文中將由于相關(guān)而導(dǎo)致的信號噪聲/干擾比的這種改善稱為"處理增益"。
[0076] 應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)下文未詳述的其他示例，不排除執(zhí)行校準(zhǔn)相位差測量而非通過相 關(guān)。特別地，當(dāng)校準(zhǔn)信號基本上是正弦信號（也稱為"連續(xù)波"或CW)時，處理裝置34能夠 利用PLL (鎖相環(huán)）、FFT (快速傅立葉變換）等測量分別在第一接收天線32a和第二接收天 線32b上接收的信號的相位，并且計(jì)算所述適當(dāng)測量的相位之差。
[0077] 不管所使用的校準(zhǔn)相位差測量方法如何，假設(shè)相位差測量實(shí)現(xiàn)單獨(dú)測量的整合， 則存在上文中參照相關(guān)描述的處理增益。
[0078] 由于例如通過相關(guān)引入的處理增益，與發(fā)射的校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的在相關(guān)之前接收 的信號的信號噪聲/干擾比將能夠較低而不損害校準(zhǔn)相位差測量。例如，處理增益可以使 得能夠補(bǔ)償?shù)吞炀€增益，例如這是因?yàn)樵诘谝缓偷诙邮仗炀€32a、32b的次級輻射波瓣中 接收校準(zhǔn)信號。因此，借助于處理增益，將放寬相對于接收基站的發(fā)射器的發(fā)射天線36上 的定位約束。
[0079] 應(yīng)當(dāng)指出，在與目標(biāo)信號的頻帶相同的頻帶中或與目標(biāo)信號的頻帶相鄰的頻帶中 優(yōu)先發(fā)射校準(zhǔn)信號。"相鄰頻帶"應(yīng)當(dāng)理解為是指所述頻帶分隔不多于10兆赫茲MHz。
[0080] 實(shí)際上，可能由將第一和第二接收天線32a、32b關(guān)聯(lián)于處理裝置34的傳輸路徑引 起的相位不穩(wěn)定可以取決于頻率。
[0081] 通過在目標(biāo)信號的頻帶中或相鄰頻帶中發(fā)射校準(zhǔn)信號，所述校準(zhǔn)信號將大致受到 與目標(biāo)信號相同的相位不穩(wěn)定，以使得校準(zhǔn)相位差測量的變化實(shí)際上代表影響目標(biāo)信號的 相位不穩(wěn)定。
[0082] 然而，在接近用于與衛(wèi)星20通信的頻帶的頻帶中的校準(zhǔn)信號的發(fā)射將產(chǎn)生干擾。 這種干擾不僅在接收基站產(chǎn)生，也在利用相同頻帶與衛(wèi)星20或其他衛(wèi)星進(jìn)行通信且位于 行程差估計(jì)系統(tǒng)30的發(fā)射器附近的任何地面終端和/或地面站上產(chǎn)生。
[0083] 由于例如通過相關(guān)引入的處理增益，尤其在校準(zhǔn)信號與目標(biāo)信號同時發(fā)射時，由 發(fā)射器發(fā)射的校準(zhǔn)信號的發(fā)射功率將能夠減小，這提供了減少干擾的優(yōu)點(diǎn)。特別地，校準(zhǔn)信 號隨后能夠被連續(xù)發(fā)射，這使得能夠執(zhí)行對關(guān)聯(lián)于第一和第二接收鏈16a、16b的相位不穩(wěn) 定的變化的連續(xù)校準(zhǔn)。
[0084] 在估計(jì)系統(tǒng)30的優(yōu)選實(shí)施方式中，發(fā)射器的發(fā)射天線36也位于接收基站附近。這 樣的布置使得能夠進(jìn)一步減小校準(zhǔn)信號的發(fā)射功率，并且因此進(jìn)一步減小其中可能產(chǎn)生干 擾的發(fā)射天線36周圍區(qū)域的大小。例如，發(fā)射器的發(fā)射天線36與第一接收天線32a和第 二接收天線32b中的至少一個之間的距離小于所述第一接收天線32a和所述第二接收天線 32b之間的距離。
[0085] 可以實(shí)現(xiàn)不同類型的校準(zhǔn)信號，這使得能夠測量校準(zhǔn)相位差，同時最小化對目標(biāo) 信號引入的干擾，由此估計(jì)衛(wèi)星20分別與接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線 32b之間的路徑之間的行程差。
[0086] 根據(jù)第一示例，校準(zhǔn)信號是CW信號。這樣的校準(zhǔn)信號具有易于產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。此 夕卜，這樣的校準(zhǔn)信號易于使用，因?yàn)槠湔紦?jù)減小的頻帶，該頻帶的中心頻率能夠被選擇為非 常接近于所考慮的目標(biāo)信號的頻帶。
[0087] 根據(jù)另一非限制性示例，校準(zhǔn)信號是具有擴(kuò)頻的信號，例如載波頻率，該載波頻率 由預(yù)定義的擴(kuò)頻碼調(diào)制且具有良好的自相關(guān)特性，例如PN(偽隨機(jī)噪聲）、Gold等。由于擴(kuò) 頻，可以使校準(zhǔn)信號的功率譜密度任意低，通過擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)所引入的處理增益由于頻 譜擴(kuò)展碼長度增加而變得更大。
[0088] 通過由頻譜擴(kuò)展碼接收的信號的相關(guān)，這樣的校準(zhǔn)信號還使得能夠也確定分別在 接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b上接收校準(zhǔn)信號的時刻差的變化，和/ 或在第一和第二接收天線32a、32b與處理裝置34之間的接收鏈上的傳播時間差的變化。
[0089] 在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)中，所述校準(zhǔn)信號的頻帶寬度大于目標(biāo)信號的頻帶寬度。
[0090] 這樣的布置還使得能夠使分別在第一接收天線32a和第二接收天線32b上接收的 信號重新同步。這在所述接收的信號被例如在所述第一和第二接收天線32a、32b附近的異 步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字化的情況下證明是尤其有利的。數(shù)字化之后獲得的數(shù)字信號隨后 能夠經(jīng)由以太網(wǎng)或其他類型的通信網(wǎng)絡(luò)被傳輸至處理裝置34。通過與發(fā)射的校準(zhǔn)信號相 關(guān)，由處理裝置34使數(shù)字信號重新同步。
[0091] 圖4示意性地示出了在由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號上產(chǎn)生很少干擾的校準(zhǔn)信號的 頻譜的示例。
[0092] 應(yīng)當(dāng)指出，可以考慮幾種類型的目標(biāo)信號。根據(jù)第一示例，目標(biāo)信號是估計(jì)系統(tǒng)30 先驗(yàn)已知的預(yù)定義信號，例如由衛(wèi)星20發(fā)射的CW信號（例如，為促進(jìn)基本上在地球表面上 的天線指向所述衛(wèi)星的方向而發(fā)射的CW信號，遙測信號的載波殘留等）。
[0093] 根據(jù)另一示例，目標(biāo)信號是非先驗(yàn)已知的信號，例如有效載荷信號（也就是說，通 常在頻移之后，且可能地在所述衛(wèi)星上接收的數(shù)據(jù)的重新生成之后，與由衛(wèi)星20從地面終 端和/或地面站接收且被所述衛(wèi)星重新發(fā)射向地球的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的信號）。
[0094] 圖4示意性地示出了由衛(wèi)星20發(fā)射的信號的幾個頻譜：
[0095]-遙測信號的頻譜BTM ;
[0096] -比頻譜BTM更寬的三個頻譜&、B2和B3，所述頻譜&、B 2和B3中的每個頻譜對應(yīng) 于衛(wèi)星20的有效載荷信號。
[0097] 由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號的頻譜可以是頻譜&、B2、B3和B TM中的任一個。
[0098] 圖4還示出了熱噪聲的頻譜，在所示的例子中，熱噪聲的功率譜密度對于所有頻 率相同，都等于指定值隊(duì)。頻譜&、B 2、B3和BTM都具有比隊(duì)更大的最大功率譜密度。
[0099] 在圖4中，示出了可能用于校準(zhǔn)信號的頻譜的三個示例。
[0100] 根據(jù)第一示例，校準(zhǔn)信號基本上是頻譜Si的正弦信號。頻譜Si具有比隊(duì)更大的 最大功率譜密度，位于頻譜氏和B2之間，并且不與頻譜&、B2、B3和B TM中任一頻譜有任何 重疊。
[0101] 根據(jù)第二示例，校準(zhǔn)信號是具有頻譜s2的擴(kuò)展頻譜的信號。頻譜S2與頻譜BTM重 疊，但是頻譜s 2的最大功率譜密度小于隊(duì)。頻譜S2與頻譜Bp B2和B3沒有任何重疊。
[0102] 根據(jù)第三示例，校準(zhǔn)信號是具有頻譜&的擴(kuò)展頻譜的信號。頻譜S3的最大功率譜 密度小于隊(duì)，并且與頻譜&、B 2、B3和BTM都沒有任何重疊。
[0103] 在實(shí)踐中，為了提取包括在所述有效載荷信號中的先驗(yàn)已知數(shù)據(jù)，有效載荷信號 的接收需要使用高增益接收天線，并且因而需要使用指向試圖從其接收所述有效載荷信號 的衛(wèi)星的高度定向的接收天線。實(shí)際上，GE0軌道中的衛(wèi)星位于離地球約36000千米距離 處，以使得有必要具有所述衛(wèi)星方向中的高天線增益以允許提取包括在所述有效載荷信號 中的數(shù)據(jù)。
[0104] 應(yīng)當(dāng)指出，如果第一和第二接收天線32a、32b只用于根據(jù)由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信 號估計(jì)行程差，則天線不一定必須被調(diào)整大小以允許提取包括在所述有效載荷信號中的數(shù) 據(jù)。在這種情況下，能夠使用具有低方向性的接收天線來估計(jì)行程差，尤其是因?yàn)橛蓪⒌谝?和第二接收天線32a、32b關(guān)聯(lián)于處理裝置34的接收鏈引入的相位不穩(wěn)定性是借助于發(fā)射 和處理校準(zhǔn)信號而得到補(bǔ)償?shù)摹Ｔ贕EO軌道中的衛(wèi)星的情況下，當(dāng)接收天線具有寬度等于 或大于10°的主輻射波瓣時，接收天線可以被認(rèn)為不是十分方向性的。在估計(jì)系統(tǒng)30的優(yōu) 選實(shí)施方式中，接收基站的第一接收天線32a和第二接收天線32b是每個都具有寬度等于 或大于20°甚至等于或大于30°的主輻射波瓣的天線。
[0105] 例如，第一和第二接收天線32a、32b是喇叭天線。根據(jù)另一示例，第一和第二接收 天線是全向天線。
[0106] 使用具有低方向性的第一和第二接收天線32a、32b，例如喇叭天線，使得能夠降低 制造估計(jì)系統(tǒng)30的成本。
[0107] 此外，由于天線不是十分方向性的，這樣的第一和第二接收天線可以被定向成使 得GE0軌道中的幾個衛(wèi)星在天線的主輻射波瓣中。可以在不必改變所述第一和第二接收天 線32a、32b的定向的情況下實(shí)現(xiàn)這樣的估計(jì)系統(tǒng)30,從而估計(jì)幾個衛(wèi)星的行程差。因此，這 樣的估計(jì)系統(tǒng)30既不昂貴也能夠恢復(fù)幾個GE0衛(wèi)星的GE0軌道，而不必使第一和第二接收 天線重新對準(zhǔn)且可能同時地重新對準(zhǔn)試圖恢復(fù)其GE0軌道的不同GE0衛(wèi)星。
[0108] 圖5示出了用于估計(jì)由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號的行程差的系統(tǒng)30的優(yōu)選實(shí)施方 式。
[0109] 在該示例中，估計(jì)系統(tǒng)30包括三個接收天線：第一接收天線32a、第二接收天線 32b和第三接收天線32c。
[0110] 第一、第二和第三接收天線32a、32b、32c是喇叭天線。
[0111] 第一、第二和第三接收天線32a、32b、32c被布置在至少兩個接收基站中：
[0112] -由第一和第二接收天線32a、32b形成的第一接收基站；
[0113] -由第一和第三接收天線32a、32c形成的第二接收基站。
[0114] 因此，可以估計(jì)由衛(wèi)星20發(fā)射的目標(biāo)信號相對于第一和第二接收基站中的每個 基站的行程差。根據(jù)其他示例，不排除考慮由第二和第三接收天線32b、32c構(gòu)成的第三接 收基站。
[0115] 在圖5所示的示例中，估計(jì)系統(tǒng)30包括不同于接收天線32a、32b、32c的、用于發(fā) 射校準(zhǔn)信號的發(fā)射天線36。根據(jù)圖中未示出的其他示例，不排除使用所述接收天線中的一 個以用于發(fā)射所述校準(zhǔn)信號。例如，發(fā)射天線可選地是第三接收天線32c或第二接收天線 32b。因此，當(dāng)估計(jì)相對于第一接收基站的第一和第二接收天線32a、32b的行程差時，第三 接收天線32c被用于發(fā)射校準(zhǔn)信號。當(dāng)估計(jì)相對于第二接收基站的第一和第三接收天線 32a、32c的行程差時，第二接收天線32b被用于發(fā)射校準(zhǔn)信號。
[0116] 然而，應(yīng)當(dāng)指出，所考慮的頻率越高，將發(fā)射天線36定位在接收天線32a、32b、32c 的前半平面就越重要。因此，如果信號噪聲/干擾比較高，則能夠考慮例如在VHF、UHF甚至 L或S頻帶中使用接收天線32a、32b、32c中的一個以將校準(zhǔn)信號發(fā)射至其他兩個接收天線。 對于C、X、Ku、Ka、Q、V等頻帶，優(yōu)先考慮不同于接收天線32a、32b、32c的、定位于所述接收 天線的前半平面中的發(fā)射天線36。
[0117] 更一般地，本發(fā)明的范圍不限于上面以非限制性示例方式描述的實(shí)現(xiàn)和實(shí)施方 式，而是擴(kuò)展至本領(lǐng)域技術(shù)人員范圍內(nèi)的所有修改。
[0118] 例如，先前認(rèn)為發(fā)射天線36以及第一和第二接收天線32a、32b的相位中心相對于 彼此是固定的。這樣的布置使得能夠認(rèn)為校準(zhǔn)相位差的變化主要是由于接收鏈的相位不穩(wěn) 定，其中該接收鏈一方面將第一接收天線32a關(guān)聯(lián)于處理裝置34而另一方面將第二接收天 線32b關(guān)聯(lián)于所述處理裝置。
[0119] 當(dāng)發(fā)射天線36以及第一和第二接收天線32a、32b的相位中心相對于彼此不再固 定時，所述相位中心的相對位置修改導(dǎo)致相位變化，該相位變化增加了接收鏈的相位不穩(wěn) 定并且不同地影響有用相位差和校準(zhǔn)相位差。這可以尤其發(fā)生在以下情況中：第一和第二 接收天線32a、32b被安裝成可移動的以跟隨地心軌道中的衛(wèi)星的移動運(yùn)動；所述第一和第 二接收天線32a、32b上的風(fēng)對所述相位中心的相對位置造成微不足道的修改，等等。這樣 的相位變化仍可以通過其他手段來補(bǔ)償。
[0120] 根據(jù)非限制性示例，預(yù)先建立校準(zhǔn)表，該校準(zhǔn)表使校準(zhǔn)相位差與發(fā)射天線36以及 第一和第二接收天線32a、32b的所述相位中心的相對位置的不同集合相關(guān)聯(lián)。然后，確定 所述相位中心的相對位置的變化，并且校準(zhǔn)表使得能夠確定由所述相位中心的所述相對位 置的變化引起的校準(zhǔn)相位差變化。由估計(jì)系統(tǒng)30的幾何變化引起的該校準(zhǔn)相位差變化隨 后能夠在校準(zhǔn)相為差測量上得到補(bǔ)償。在該補(bǔ)償之后，校準(zhǔn)相位差測量的殘余變化可以被 看成是主要由接收鏈的相位不穩(wěn)定引起的，其中該接收鏈一方面將第一接收天線32a關(guān)聯(lián) 于處理裝置34而另一方面將第二接收天線32b關(guān)聯(lián)于所述處理裝置。
[0121] 為了確定所述相位中心的相對位置的變化，發(fā)射天線36以及第一和第二接收天 線32a、32b例如配備有本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的針對其相位中心的位置傳感器。可選地，被 看作是固定有或配備有這種位置傳感器的幾個發(fā)射天線36被用于通過三角測量來確定第 一和第二接收天線32a、32b的相位中心的位置。
[0122] 由估計(jì)系統(tǒng)30的幾何變化引起的有用相位差變化對于本發(fā)明而言不是特定的， 并且可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何手段來補(bǔ)償。
[0123] 更一般地，還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于特定數(shù)量的接收天線，而是擴(kuò)展至任何數(shù)量 Nb(Nb彡2)的接收天線。
[0124] 此外，已經(jīng)通過考慮行程差的估計(jì)而描述了本發(fā)明，該行程差又能夠被進(jìn)一步用 于估計(jì)目標(biāo)信號的到達(dá)方向。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明適用于對目標(biāo)信號相對于接收基站的 到達(dá)方向的任何估計(jì)，這不包括行程差的估計(jì)，但仍使用有用相位差測量。根據(jù)非限制性示 例，能夠借助于MUSIC型算法來估計(jì)目標(biāo)信號的到達(dá)方向（例如參見〃Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation"，R. 0· Schmidt, IEEE Transactions on Antennas and Propagation,第34卷、第3期，1986年3月），借助于校準(zhǔn)相位差測量來補(bǔ) 償有用相位差。
[0125] 上面的描述通過其不同特征和優(yōu)點(diǎn)明確地說明了本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的目的。
[0126] 特別地，應(yīng)當(dāng)理解，估計(jì)系統(tǒng)30是簡單的且制造成本低廉的，這是因?yàn)榻柚谛?準(zhǔn)信號的發(fā)射和處理而大大放寬了對接收鏈的約束。此外，由于系統(tǒng)30的接收天線可以針 對行程差估計(jì)而被調(diào)整大小，因此接收天線不必是高度定向的并且能夠例如是方向性較低 且比現(xiàn)有技術(shù)估計(jì)系統(tǒng)中使用的接收天線更小的喇叭天線。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于估計(jì)由航天器或飛行器（20)發(fā)射的信號即"目標(biāo)信號"所跟隨的、分別到 達(dá)接收基站的第一接收天線（32a)和第二接收天線（32b)的兩個路徑之間的行程差的方法 (50)，所述方法包括測量與分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)上 接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的相位差即"有用相差"的步驟（500)，以及根據(jù)所述有 用相位差的測量來估計(jì)所述行程差的步驟（502)，其特征在于，所述方法（50)還包括以下 步驟： -借助于發(fā)射天線（36)，將信號即"校準(zhǔn)信號"發(fā)射（504)至所述接收基站； -測量（506)與分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)上接收的 校準(zhǔn)信號相對應(yīng)的信號之間的相位差即"校準(zhǔn)相位差"； -根據(jù)所述有用相位差的測量而補(bǔ)償（508)所述校準(zhǔn)相位差的測量的變化。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法（50)，其特征在于，測量校準(zhǔn)相位差的步驟（506)包括使 分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)上接收的信號與所發(fā)射的校準(zhǔn) 信號相關(guān)，或者借助于FFT或PLL分析分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天 線（32b)上接收的所述信號。
3. 如權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的方法（50)，其特征在于，以至少部分重疊各自 頻帶的方式發(fā)射所述校準(zhǔn)信號和所述目標(biāo)信號。
4. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法（50)，其特征在于，所述校準(zhǔn)信號是與所述 目標(biāo)信號同時發(fā)射的。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法（50)，其特征在于，連續(xù)發(fā)射所述校準(zhǔn)信號。
6. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法（50)，其特征在于，所述校準(zhǔn)信號基本上是 正弦信號或具有由擴(kuò)頻碼擴(kuò)展的頻譜的信號。
7. 如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法（50)，其特征在于，分別在所述第一接收天 線（32a)和所述第二接收天線（32b)上接收的信號被異步模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字化、經(jīng)由 通信網(wǎng)絡(luò)被傳輸至處理裝置（34)并且通過與所發(fā)射的校準(zhǔn)信號相關(guān)而被所述處理裝置重 新同步。
8. -種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，其包括一組程序代碼指令，當(dāng)處理器運(yùn)行所述程 序代碼指令時，所述程序代碼指令實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至7之一所述的行程差估計(jì)方法（50)。
9. 一種用于估計(jì)由航天器或飛行器（20)發(fā)射的信號即"目標(biāo)信號"所跟隨的、分別到 達(dá)所述系統(tǒng)的接收基站的第一接收天線（32a)和第二接收天線（32b)的兩個路徑之間的行 程差的系統(tǒng)（30)，所述系統(tǒng)還包括適于測量與分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二 接收天線（32b)上接收的目標(biāo)信號相對應(yīng)的信號之間的相位差即"有用相位差"的裝置，以 及適于根據(jù)所述有用相位差的測量來估計(jì)所述行程差的裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)（30) 還包括： -適于借助于發(fā)射天線（36)將信號即"校準(zhǔn)信號"發(fā)射至所述接收基站的發(fā)射器； -適于測量與分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)上接收的校 準(zhǔn)信號相對應(yīng)的信號之間的相位差即"校準(zhǔn)相位差"的裝置； -適于根據(jù)所述有用相位差的測量而補(bǔ)償所述校準(zhǔn)相位差的測量的變化的裝置。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，適于測量所述校準(zhǔn)相位差的裝置被配 置成執(zhí)行使分別在所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)上接收的信號與所 發(fā)射的校準(zhǔn)信號相關(guān)，或者借助于FFT或PLL分析分別在所述第一接收天線（32a)和所述 第二接收天線（32b)上接收的所述信號。
11. 如權(quán)利要求9至10中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，所述接收基站的所 述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)是每個都具有寬度等于或大于10°的主 輻射波瓣的天線。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，所述接收基站的所述第一接收天線 (32a)和所述第二接收天線（32b)是每個都具有寬度等于或大于20°的主輻射波瓣的天 線。
13. 如權(quán)利要求11至12中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，所述接收基站的所述 第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)是喇叭天線。
14. 如權(quán)利要求11或13中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，所述飛行器（20) 是對地靜止軌道中的衛(wèi)星，所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)被定向成 使得所述對地靜止軌道中的幾個衛(wèi)星在其主輻射波瓣中。
15. 如權(quán)利要求9或14中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)（30)，其特征在于，所述發(fā)射器的發(fā)射 天線（36)與所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)中的至少一個之間的距 離小于所述第一接收天線（32a)和所述第二接收天線（32b)之間的距離。
【文檔編號】H04B17/00GK104115427SQ201280070007
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月22日
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