專利名稱：用于確定固定衛(wèi)星接收器的位置的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過衛(wèi)星有效載荷(payload)信號中的測 距包來確定具有固定衛(wèi)星天線的固定衛(wèi)星接收器的位置的定位 方法和定位設備。此外，本發(fā)明還涉及一種廣4番方法和廣播-設備。本發(fā)明意義上的測距包是具有專門PID并用于測距目的的 衛(wèi)星有效載荷信號中的任意包。
背景技術：
US 6,864,838 B2乂〉開了 一種通過衛(wèi)星有效載荷信號中的測 距包，對衛(wèi)星進行測距的系統(tǒng)和方法。衛(wèi)星有效載荷信號是經(jīng) 調制的類似DVB-S信號的數(shù)字傳輸流信號，其中測距包通過時 間戳信息插入在這些衛(wèi)星有效載荷信號中。為了補償在下行鏈 路部分的解碼配置中衛(wèi)星有效載荷信號的未知延遲，建議在上 行鏈路部分和下行鏈路部分中使用相同結構的解碼配置。在相 應的時間測量電^各處理觀'J距包中的時間翟l之前，相應的測距包 通過這些解碼配置而在上行鏈路部分和下行鏈路部分中被饋 送。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種結構為關于衛(wèi)星實施準確測距操作提供了 高準確性。然而，US 6,864,838 B2沒有公開地球上固定衛(wèi)星接 收器的定位。GPS (全球定位系統(tǒng))是眾所周知的系統(tǒng)，其為地球上的 任意一點提供準確的定時和測距信息。用于確定GPS接收器的 GPS坐標的基本技術是基于對具有已知位置的三個衛(wèi)星進行三 邊測量方案(trilateration solution )。如果測量了從每個衛(wèi)星到 接收器的距離，則能夠計算接收器的未知位置。三邊測量方案
對應于理想情況，但是實際上為了補償測量誤差或為了利用其 它可以得到的位置信息，也可以應用其它結構。例如，如果接 收器的時鐘偏差是未知的，則可以使用具有從接收器處可見的
四個衛(wèi)星的四邊觀'J量(quadrilateration )的結構。另一方面， 如果可以得到準確的本地時鐘，并且如果另 一方面將地球表面 的測地參照才莫型(geodetic reference model )用作另一個坐標， 則也可以應用雙邊測量(bilateration )結構。
發(fā)明內容
GPS接收器已經(jīng)制造得很好，并且提供了 一種在地球上進 行精確定位的方法。然而，本發(fā)明公開了對于某些目的使用更 加簡單的接收器代替GPS接收器是足夠的。這些目的適用于例 如固定衛(wèi)星接收器必須定位在地球上以及不需要位置的實時測
量的情況。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種固定衛(wèi)星接收器的易于實 施且無需改變現(xiàn)有的系統(tǒng)結構的定位方法，還提供一種相應的 定位設備。
通過根據(jù)權利要求1的定位方法、根據(jù)權利要求13的定位設 備、根據(jù)權利要求11的廣播方法和根據(jù)權利要求20的廣播設備 來實現(xiàn)該目的。
根據(jù)本發(fā)明的用于確定固定衛(wèi)星接收器的位置的定位方 法，所述固定衛(wèi)星接收器具有固定衛(wèi)星天線，所述定位方法通 過衛(wèi)星有效載荷信號中的測距包來確定固定衛(wèi)星接收器的位 置，其中，從位于確定的地面站位置的一個或更多地面站發(fā)射 所述衛(wèi)星有效載荷信號，并從位于不同的對地同步軌道位置的 一個或更多衛(wèi)星中繼，以通過相同的固定衛(wèi)星天線接收所述衛(wèi) 星有效載荷信號，所述對地同步軌道位置由一個或更多地面站
根據(jù)衛(wèi)星位置信息來控制，其中，相應的衛(wèi)星有效載荷信號中 的每個測距包都與關于從相應的地面站發(fā)射所述測距包的時間 點的時間戳信息相關，其中，由所述固定衛(wèi)星接收器在所接收 的衛(wèi)星有效載荷信號中檢測多個所述測距包，測量相應測距包 的檢測時間點之間的相對時間差并采集所測量的相對時間差， 其中所測量的相對時間差與所述確定的地面站位置、所述時間 戳信息和所述衛(wèi)星位置信息相關，用于通過解決所測量的相對 時間差的冗余的輔助條件來估計所述固定衛(wèi)星接收器的位置。
根據(jù)本發(fā)明的定位設備，用于通過衛(wèi)星有效載荷信號中的 測距包來確定具有固定衛(wèi)星天線的固定衛(wèi)星接收器的位置的定 位設備，其中，/人位于確定的地面站位置的一個或更多地面站 發(fā)射所述衛(wèi)星有效載荷信號，并從位于不同的對地同步軌道位 置的一個或多個衛(wèi)星中繼，以通過相同的固定衛(wèi)星天線接收所 述衛(wèi)星有效載荷信號，所述對地同步軌道位置由一個或更多地 面站根據(jù)衛(wèi)星位置信息來控制，所述定位設備包括接口，其 通過所述固定衛(wèi)星接收器接收關于從相應的地面站發(fā)射所述測 距包的時間點的、與相應的衛(wèi)星有效載荷信號中的每個測距包 相關的時間戳信息，并用于接收在所述固定衛(wèi)星接收器中所測 量的、在所述衛(wèi)星有效載荷信號中接收的所述測距包的檢測時 間點之間的相對時間差，以及定位處理器，用于采集所測量的 相對時間差并使其與所述確定的地面站位置、所述時間戳信息 和所述衛(wèi)星位置信息相關，以通過解決所述測量的相對時間差 的冗余的輔助條件來估計所述固定衛(wèi)星接收器的位置。
本發(fā)明使得可以對廣播衛(wèi)星系統(tǒng)中的固定衛(wèi)星接收器進行
定位。自1923年電視問世以來，電視的核心原理并沒有改變。
廣播公司確定節(jié)目，而觀眾不能影響它。但是一種新出現(xiàn)的叫
作交互式電視(interactive TV , iTV )的技術使用戶可以操作節(jié)
目的流程，甚至可以參與實際廣播中的直播。這些系統(tǒng)使用陸
地(terrestrial)或衛(wèi)星返回通道(back-channel )將用戶數(shù)據(jù)發(fā) 送回交互式服務的提供商。iTV的典型應用是交互式廣告、家 庭購物(home shopping )、 視頻點播(video on demand ,VoD ) 體育博彩(sports betting)和游戲。
利用用戶端的最小附加安裝，本發(fā)明在現(xiàn)有衛(wèi)星廣播系統(tǒng) 中實現(xiàn)了 一種成本劃算的定位結構。與需要在商用衛(wèi)星電視接 收器中安裝附加硬件組件的GPS系統(tǒng)相比，本發(fā)明提供了 一種 利用用戶已有的固定衛(wèi)星天線的方法。該方法的原理是測量位 于不同對地同步軌道位置但在足夠窄的共置于 一 處 (co-located)的衛(wèi)星的到達時間差，從而使得共置于一處的衛(wèi) 星的下行鏈路信號仍然能夠被閨定衛(wèi)星接收器的同 一 固定衛(wèi)星 天線接收。現(xiàn)在，為了能夠實現(xiàn)對可用軌道槽和有限頻譜的最 優(yōu)利用，將衛(wèi)星定位在一個對地同步軌道槽的同一處。對地面 上的用戶來說，位于同一處的衛(wèi)星看起來就像是具有大容量的 一個衛(wèi)星。通過4吏衛(wèi)星發(fā)射極化正交(polarized orthogonal )和 /或具備不同頻鐠的信號，來避免位于同 一處的衛(wèi)星之間的干 擾。
通常，用于從對地同步軌道位置接收衛(wèi)星有效載荷信號的 固定衛(wèi)星天線是具有一個低訊降頻放大器(low noise block downconverter， LNB )的盤形衛(wèi)星天線(satellite dish ),其能夠 從一個對地同步軌道槽(slot)接收衛(wèi)星有效載荷信號。本發(fā)明
辨率窄到o. r或者甚至更低。
然而，還可以用具有兩個或更多安裝在盤不同焦點上的
LNB的盤形衛(wèi)星天線，從而使得能夠接收來自不同對地同步軌 道槽的衛(wèi)星有效載荷信號。由于對地同步軌道位置之間的空隙
較大，這些盤形衛(wèi)星天線還可以根據(jù)本發(fā)明，用來提供所測量 的相對時間差的更好的分辨率。
對本發(fā)明進一步認識的事實是，對來自不同衛(wèi)星位置的兩 個衛(wèi)星有效載荷4言號的相應測3巨包 一企測時間點之間的相對時間 差進行測量。因此，沒有必要使固定衛(wèi)星接收器知道絕對GPS
時間，而只需要才是供精確和穩(wěn)定的時鐘，用于對200ps范圍內的
所述相對時間差進行測量，其中由于從一個衛(wèi)星有效載荷信號 到另 一個衛(wèi)星有效載荷信號的必要切換，兩個不同衛(wèi)星有效載 荷信號中兩個測^巨包的兩個連續(xù)才全測持續(xù)時間在l秒量級內。這 就使得可以免于在固定衛(wèi)星接收器中安裝昂貴的時間測量設 備。并且，在測量之間，可以將固定衛(wèi)星接收器的本地振蕩器 頻率調整到基準頻率，該基準頻率可以從衛(wèi)星有效載荷信號中
提取。這種基準頻率可以例如由MPEG數(shù)據(jù)流的PCR值提供。 從衛(wèi)星有效載荷信號中提取這種基準頻率的相應設備和方法例 如公開在EP 1030464 Bl中。
為固定衛(wèi)星接收器的隨后的定位估計采集所測量的相對時 間差。 一旦采集了足夠的相對時間差，方程系統(tǒng)中的相對時間 差就與系統(tǒng)中可用的其它信息相關，其中所述其它信息是確 定的一個或更多地面站的地面站位置、關于從相應地面站發(fā)射 每個測距包的時間點的時間戳信息、和關于相應測距包被中繼 的相應衛(wèi)星位置的衛(wèi)星位置信息。結果是超定的 (overdetermined )方禾呈系統(tǒng)，^f旦是其可通過用于角f決測量的相 對時間差的冗余的輔助條件來解決。
根據(jù)本發(fā)明又一個方面，該衛(wèi)星有效載荷信號是由一個或 更多地面站發(fā)射的DVB-S數(shù)據(jù)流。因此，可以使用現(xiàn)有的衛(wèi)星 接收器的DVB-S前端，同時，測距包所占用的數(shù)據(jù)帶寬小到可 以忽略，不會影響傳統(tǒng)DVB-S數(shù)據(jù)流。
根據(jù)本發(fā)明又一個方面，將一個或更多衛(wèi)星的運動用來涉 及一個或更多衛(wèi)星不同的對地同步軌道位置。由此，原理上， 一個衛(wèi)星足以提供衛(wèi)星接收器處所有必需的定位信息。然而， 根據(jù)優(yōu)選方面，至少兩個衛(wèi)星共同位于一個對地同步軌道槽中， 通過這樣，可以一次提供一個相對時間差的一個測量信息。一 旦所述兩個衛(wèi)星其中的至少一個的位置改變，就可以對另 一個 相對時間差進行進一步測量。這對多于兩個衛(wèi)星的結構同樣適 用，其中可以以適當?shù)姆绞皆谙鄳男l(wèi)星有效載荷信號之間切 換，以實現(xiàn)對相對時間差的所需測量。此外，為了減少固定衛(wèi) 星接收器的位置中的 一 個未知變量，可以將地球的測地模型用 作進一步的位置信息。測距包可以由包序列信息來識別，其中該包序列信息與相 應的確定的地面站位置、時間戳信息和衛(wèi)星位置信息明確地相 關。根據(jù)本發(fā)明又一個方面，衛(wèi)星接收器的定位估計是在所述 衛(wèi)星接收器中執(zhí)行，為此，除了包序列信息之外，測距包還攜 帶必要的時間戳信息和必要的衛(wèi)星位置信息。根據(jù)本發(fā)明另一個方面，提供一個地面站，其中在所述地 面站中執(zhí)行衛(wèi)星接收器的定位估計。為此，將所測量的相對時 間差與相應的包序列信息一起，從固定衛(wèi)星接收器返回到所述 地面站。通常，不言而喻，衛(wèi)星接收器的定位估計過程不必限 于任何特定位置或定位，而是可以在適于實現(xiàn)該目的的任何地 方執(zhí)行，只要所有的必要信息都已經(jīng)發(fā)射到這個位置就可以了 。根據(jù)本發(fā)明又一個方面，用于固定衛(wèi)星接收器定位估計的 輔助條件基于最小均方算法。根據(jù)本發(fā)明，所采集的數(shù)據(jù)量將 超出未知變量，使得所得到的方程系統(tǒng)是超定的。這種冗余可 以通過條件來解決，其中該條件是所估計的解關于單個采集數(shù) 據(jù)的誤差方差應該被最小化?？赏ㄟ^遞歸算法向該算法依次饋 送新數(shù)據(jù)找到相應解，或者通過求解得到的方程系統(tǒng)為所采集數(shù)據(jù)的 一 個數(shù)據(jù)塊找到相應解。根據(jù)本發(fā)明又一個方面，使用基準值來改善固定衛(wèi)星接收 器的定位估計，其中所述基準值由一個或更多具有已知位置并 接收衛(wèi)星有效載荷信號的基準接收器來提供。參考接收器既可以定位在地面站中，也可以定位在別的某處，使得可以在參考接收器連接到G P S時間和頻率源的情況下測量測距包的接收時間，或者可以在參考接收器只提供自由運行的振蕩器時測量兩個連續(xù)測距包的時間差。原理是將這些測 量結果與理^^直^目比較，其中理i侖值可以基于相應地面站、相應的衛(wèi)星和參考^l妾收器自身的已知位置來獲得。以這種方式補償?shù)难舆t例如是仍然未知的地面站延遲、衛(wèi)星發(fā)射機應答器(transponder) 中的未知延遲等。如上已經(jīng)提到的，本發(fā)明使得可以在交互式電視環(huán)境中提供基于位置的服務。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一種方法是廣播方法，用于通過至 少一個衛(wèi)星從地面站廣播多個衛(wèi)星有效載荷信號到多個固定衛(wèi) 星接收器，其中每個衛(wèi)星有效載荷信號的有效載荷都根據(jù)由上 述定位方法所確定的所述多個固定衛(wèi)星接收器中每一個的位置來控制。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一種設備是廣播設備，用于通過至 少一個衛(wèi)星從地面站廣播多個衛(wèi)星有效載荷信號到多個固定衛(wèi)述定位設備所確定的所述多個固定衛(wèi)星接收器中每一個的位置來控制。每個衛(wèi)星有效載荷信號的有效載荷可以根據(jù)固定衛(wèi)星接收
器的位置由相應標記(marker)控制，其中所述標記在發(fā)射有 效載荷之前在地面站處引入到有效載荷中。盡管有效載荷一皮廣 播使得所有有效載荷可以被所有固定衛(wèi)星接收器所接收，但可 以在每個固定衛(wèi)星接收器中提供濾波器，其可根據(jù)標記并因此 根據(jù)所估計的位置來選擇所接收的有效載荷的子集。另 一種可能性是提供至少一個具有多個點波束天線的衛(wèi) 星，其中在發(fā)射有效載荷之前在地面站引入有效載荷的相應標 記使得至少 一 個衛(wèi)星可以根據(jù)標記并因此根據(jù)所估計的位置， 將所接收的有效載荷子集切換到其中一個點波束天線。最后，還可以將點波束配置與在固定衛(wèi)星接收器處的濾波 結合起來。
現(xiàn)在將通過例子并參考
本發(fā)明，其中 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的上行鏈路部分； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的固定衛(wèi)星接收器測量板的示意圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定固定衛(wèi)星接收器的位置的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第一種類型的參考接收器；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第二種類型 的參考接收器；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第三種類型 的參考接收器。
具體實施方式
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)的上行鏈路部分。上
行鏈路部分的任務是提供為上行鏈路衛(wèi)星有效載荷信號，并在 該衛(wèi)星有效載荷信號中插入測距包。除了能夠處理單向衛(wèi)星有 效載荷信號之外，衛(wèi)星還可以具有進行雙向通信的能力。這是 在處理作為本發(fā)明的應用的交互式電視(iTV )時所特別關心的。衛(wèi)星有效載荷信號可以是例如DVB-S型的衛(wèi)星有效載荷信 號。每個測距包都具有包序列信息，并且與時間戳信息和衛(wèi)星 位置信息相關。如果定位估計發(fā)生在固定衛(wèi)星接收器中，則測 距包可以攜帶包序列信息、時間戳信息和衛(wèi)星位置信息。另一 個方面，如果定位估計發(fā)生在地面站中，則每個測距包只攜帶 與相應的時間戳4言息相關的包序列信息和存儲在地面站中的衛(wèi) 星位置信息就足夠了 。包序列信息對應于通常D V B - S衛(wèi)星有效載荷信號的連續(xù)計 數(shù)器，但是有所擴展，從而使得包序列信息在特定固定衛(wèi)星接 收器的 一 次定位估計過程中保持單值而不達到其最大值。時間戳信息為每個測距包提供對應于從上行鏈路站發(fā)射該 測3巨包的時刻的時間瞿l 。衛(wèi)星位置信息對應于在從上行鏈路站發(fā)射測距包的時刻， 測距包 一皮發(fā)送到的衛(wèi)星的位置?？梢栽谙鄳目刂圃撔l(wèi)星的位 置的地面站中得到該衛(wèi)星位置信息。要被插入的測距包由測距包生成器1 01生成，并被發(fā)送到操 作測距包的有效載荷的測距信息插入102。因此，在測距信息插 入102處插入相應包的包序列信息。此外，在測距信息插入102 中也可以得到前面的測距包的時間戳信息，并將其插入到當前 的測距包中。如果測量中包含多于一個的衛(wèi)星，則將并行發(fā)送 到相應衛(wèi)星的前面的測距包的所有可得到的時間戳信息都插入 到當前的測距包中，從而使得固定衛(wèi)星接收器無需從這些定位 估計所必需的時間戳信息中選擇一 個時間戳信息。將以這種方式〗f改的測距包發(fā)送到MUX矩陣103 。 MUX矩 陣103組合不同的數(shù)據(jù)源，并將它們合并在一個衛(wèi)星有效載荷信 號中。當上行-《連^吝i殳備構成上行鏈^各104和上行《連^各105之后， 在分離器(splitter) 114和115中分開衛(wèi)星有效載荷信號。通過 天線IIO、 111將衛(wèi)星有效載荷信號116、 117發(fā)射到衛(wèi)星112、 113, 而由降頻變頻器(block down converter ) 106、 107將衛(wèi)星有效 載荷信號118、 119從發(fā)射頻率變換到較低的中間頻率，并將其 饋送到發(fā)射時間測量系統(tǒng)108、 109。發(fā)射時間測量系統(tǒng)108、 109可以測量測距包已經(jīng)通過MUX 矩陣的時刻，從而使得該測量不考慮隨機產(chǎn)生的MUX矩陣的延 遲，盡管測距包離開上行鏈路設備的實際時刻不能由發(fā)射時間 測量系統(tǒng)108、 109測量，但是只要分離器114、 115和降頻變頻 器106、 107的延遲接近相等，由發(fā)射時間測量系統(tǒng)108、 109提 供的時間戳信息仍然能夠用于確定兩個衛(wèi)星有效載荷信號的相 對時間差。一旦由發(fā)射時間測量系統(tǒng)108、 109中的一個已經(jīng)確定了 一 個包的發(fā)射時間，由于當前包已經(jīng)離開了上行鏈路部分，就將 相應的時間戳信息插入到隨后的測距包中。盡管前面的i兌明僅涉及一個地面站，應該注意，根據(jù)本發(fā) 明可以采用多于一個的地面站。在這種情況下，必須在各地面 站之間實現(xiàn)時間和頻率同步。在任何情況下，知道地面站在地 球上的精確位置都是必要的。衛(wèi)星的位置還由地面站控制，例如通過經(jīng)由地面站向衛(wèi)星 發(fā)送相應的衛(wèi)星位置信息。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的固定衛(wèi)星接收器的測量板的示意 圖。測量板201正在控制DVB-S接收器202、監(jiān)視數(shù)字輸出流(衛(wèi)
星有效載荷信號)，并通過串行端口 203與PC進行通信。由于經(jīng)濟的原因，測量^反與GPS時鐘時間不同步。然而， 所接收到的衛(wèi)星有效載荷信號的D V B - S數(shù)據(jù)流可以控制驅動測 量板的計數(shù)器204的自由運行的振蕩器(free running oscillator),從而4吏得只出現(xiàn)相對于GPS時鐘的時間偏移。為此， 連續(xù)引入的具有時間戳信息的測距包或DVB-S有效載荷包的時 鐘參考凈皮用作時間參考。知道了兩個測距包之間的時間和自由 運行的振蕩器在該時間內的改變，就可以估計在這段時間上的 平均頻率U"J。由于計數(shù)器204與GPS時鐘之間的時間偏移，不可能直接計 算到衛(wèi)星的距離。然而，可以計算來自兩個不同衛(wèi)星位置的兩 個衛(wèi)星有效載荷信號中的相應時間戳信息或相應包序列信息的 檢測時間點之間的相對時間差，在這種情況下，消除了該時間 偏移。由包識別符(PID)濾波器205觸發(fā)計數(shù)器204，為具有正 確PID的測距包檢查衛(wèi)星有效載荷信號。將那些測距包鎖在 ni'，() 206中。為了確定兩個測距包之間的相對時間差，必須接收兩個衛(wèi)星有效載荷信號。然而，由于接收器202只有一個調諧器 (tuner)，因此，接收器202不可能同時接收兩個衛(wèi)星有效載荷 信號。因此，只能在切換到其它衛(wèi)星有效載荷信號之后測量兩 個連續(xù)測距包的相對時間差。然而，假設系統(tǒng)特別是衛(wèi)星位置 沒有改變，則結果將會是相同的。因此，為了進行測量，從第一衛(wèi)星接收測距包，然后將該 接收器改變到從第二衛(wèi)星接收測距包。在一定數(shù)量的測距包之 后周期性地進行這種改變。原理上，存在由接收器固有的隨機延遲、衛(wèi)星運動和頻率
估計誤差所造成的準確性損失。接收器的隨機延遲引起的誤差可以在應用估計接收器的位 置的算法時，通過平均效應而減小。知道了衛(wèi)星的運動，還可 以在后處理中才交正由衛(wèi)星運動所造成的誤差。圖3示出了才艮據(jù)本發(fā)明的用于確定固定衛(wèi)星接收器的位置的衛(wèi)星廣播系統(tǒng)。上行鏈路302中的測距包生成器30l提供具有 特定PID的DVB-S測距包。如關于圖l的說明所述，將那些測距 包插入到DVB-S衛(wèi)星有效載荷信號中，并經(jīng)由地面站303和304 將它發(fā)射到衛(wèi)星305和306。為了處于iTV接收器307 (固定衛(wèi)星接收器)的視距(line of sight)中，而無需對后者進行重新調整，衛(wèi)星必須共同位于 (co-located)同樣的對地同步軌道位置，即—皮定位在相同的站保 持箱 (station keeping box ) 中。測距包由衛(wèi)星中繼，并被發(fā)送到固定衛(wèi)星接收器307。該衛(wèi) 星接收器307包括降頻變頻器(例如LNB/整塊(Monoblock))、 傳輸衛(wèi)星有效載荷信號的DVB-S接收器308和距離差測量部 309。距離差測量部309測量所插入的測距包的測距包到達時間 (PAT)并計算距離差?？梢匀缦掠嬎銉蓚€DVB-S衛(wèi)星《連路的距離差A/7"，.、。使用圖3 中給出的附圖標記，即《，1上行鏈3各3各徑上到衛(wèi)星1的距離《"下行鏈i 各^各徑上自衛(wèi)星l的距離《/,2上行鏈路上路徑到衛(wèi)星2的距離《"下行鏈路上路徑自衛(wèi)星2的距離&衛(wèi)星Satl的位置&衛(wèi)星Sat2的位置A〃下行鏈路位置
上行鏈路位置可以寫訐乍<formula>formula see original document page 18</formula>(1)其中Ap K。,與所測量的相對時間差成比例，以光速作為比例因數(shù)。如圖l所示，用于估計相對時間差的技術是將具有特定ID (PID )的測距包插入到兩個衛(wèi)星鏈路的DVB-S衛(wèi)星有效載荷 信號中，并測量發(fā)射和接收時間。即使發(fā)射和接收時間不是在 同一個時間幀中測量，即存在偏移，也可以利用這個信息確定 相對時間差。需在接收器端安裝附加設備，并且避免了發(fā)射諸如擴頻信號之 類的附加信號而干擾主信號?，F(xiàn)有的接收器主要是指向專有的對地同步軌道位置的單饋 送系統(tǒng)。使用位于同 一處的對地同步衛(wèi)星使得可以利用所述單 饋送天線接收不同的衛(wèi)星，但是所得到的衛(wèi)星幾何圖較差。方程l示出了距離差Aa,和下行鏈路位置&'之間的非線性 關系?？梢酝ㄟ^寸吏用剪裁近似(tailor approximation )在近似、的 參考點、周圍線性化該方一程<formula>formula see original document page 18</formula>為了對終端位置進行三邊測量，需要至少三個不同的測量 了降低未知變量的級(level),假設用戶終端在地球表面上 并將用戶終端的位置固定在地球的測地模型上的特定高度。所用的地球模型是測地參考系統(tǒng)(Geodetic Reference System) 1980 ( GSR80 )。即使加入高度信息，仍然缺少第三個方程。為了獲得足夠 數(shù)量的方程，利用對地同步衛(wèi)星的運動來隨著時間實現(xiàn)多個測 量，并實現(xiàn)不同的衛(wèi)星星區(qū)。然而，由于衛(wèi)星的最小運動，可 能需要應用大到幾個小時的觀察周期。用于該過程的停止判據(jù) 是所估計的固定衛(wèi)星接收器的位置在預先確定的邊界內的收 斂。這意味著， 一旦從一個測量到下一個測量所估計的位置不 再發(fā)生顯著的改變，該位置就被認為是足夠精確的了。如果只有這一個值的噪聲水平已知，這些停止判據(jù)還可以 基于一個可獲得的值來計算，而無需對固定衛(wèi)星接收器的位置 進行估計。系統(tǒng)和這一個值的噪聲水平的知識使得可以在實際 執(zhí)行估計算法之前預測定位估計的不確定性。如果所預測的不 確定性足夠小，則可以停止采集測量。位于同一處的衛(wèi)星關于當前測量的最優(yōu)衛(wèi)星星區(qū)。因此，如果 有多于兩個位于同一處的衛(wèi)星在一個單軌道槽中，可以總是選 擇那兩個衛(wèi)星來測量相對時間差，這樣產(chǎn)生最低的預測的定位 估計不確定性。最后，通過使用對定位估計不確定性的所述預測，還可以 事先估計對于采集足夠數(shù)據(jù)來說必要的時間段，所述數(shù)據(jù)用于 獲得特定誤差邊界內的定位估計。實際的測量表明，基于在一個站保持箱中位于同一處的衛(wèi) 星，可獲得的定位估計的準確性為大約1.5 km到3.0km 。位置估計基于方程4中所述的幾個距離差測量，并可以結合 在一個方程系中
這個矩陣方程是超定的，可以使用能見度矩陣(visibility matrix) A的廣義偽逆(，在最小均方誤差的意義下求解。最后，應該注意，可以在固定衛(wèi)星接收器中進行定位估計， 也可以在地面站中進行定位估計。在第一種情況下，必須與相 應衛(wèi)星的衛(wèi)星位置信息和測距包本身所確定的地面站位置一 起，為每個測距包發(fā)送時間戳信息。這種情況適合于沒有對地 面站的返回信道的接收器。然而，必須在相應接收器中提供附 加的處理能力以進行必要的計算。在第二種情況下，每個包的包序列信息與存儲在地面站中 相應的時間戳信息相關是足夠的，其中將所測量的相對時間差 從固定接收器返回到地面站。在地面站進4于位置計算減少了每 個固定接收器處的必要處理能力，并使得能夠在每個固定接收 器處實現(xiàn)低成本的位置估計。為了向已知衛(wèi)星位置信息且然后 可執(zhí)行合成的計算的地面站發(fā)送時間戳，僅需具有低比特率的 返回信道。盡管在對圖l的說明中給出了 一種方法，通過這種方法可以 確定所謂的插入時間并因此在接下來的定位估計中考慮該插入 時間，但是，系統(tǒng)中仍然存在某些測量的不準確性。這種測量 不準確性可以包括地面站中仍未知的延遲、衛(wèi)星發(fā)射機應答器 (transponder)中的未知延遲、取決于測量方法(注意，利用
連續(xù)測距包的測量依賴于，但經(jīng)常不適用于固定衛(wèi)星的假設) 的誤差，以及衛(wèi)星位置中的誤差，只考慮插入時間時很難照顧 到所有因素。為了解決這個問題，可以將一個或更多參考接收器添加到 上述的位置確定系統(tǒng)中。每個參考接收器將改善結果的準確性 并且還將縮短測量周期。參考接收器是具有地球上已知地面位置的固定安裝的接收 器。參考接收器不斷地測量衛(wèi)星的不同位置和/或不同衛(wèi)星的位 置之間的距離差?；舅枷胧菍⒁赃@種方法測量的到達時間延遲(TDOA)與TDOA的理論值相比較，可以基于地面站、衛(wèi)星 和參考接收器的已知位置獲得該理論值。通過計算理論模型與測量之差，可以確定補償值。在估計 固定衛(wèi)星接收器的位置時可以使用該補償值。以這種方式，可 以〉'肖除包含在補償值中的測量不準確性或者至少在進 一 步的位 置確定中降低。由于在估計位置時的準確性得到改善，所需測 量數(shù)也將減少，即所估計的位置更快地收斂到實際位置。一旦每個衛(wèi)星接收器的位置信息已知(在衛(wèi)星接收器處， 在地面站處，或者在這兩個位置處)，就有各種可能性來增強整 個廣播系統(tǒng)的特征。下面，通過例子來說明這些可能性和應用 中的 一 些。連續(xù)監(jiān)視盤形衛(wèi)星天線的校準如果接收器自身已知該衛(wèi)星接收器的位置，則該接收器可 以計算到相應衛(wèi)星的最優(yōu)校準角。憑借相應的傳感器可以監(jiān)視 實際校準角，并且可以將實際校準角與期望的校準角相比較。 在建立過程中或有外部影響的情況下，可以校正實際校準角以 重新達到期望的校準角。增強的條件訪問和增強的認證
一些付費電^L頻道需要用戶登錄，這意味著用戶在地面站 注冊。對用戶位置的了解使得能夠檢查用戶在登錄過程中是否 處在正確的位置。如果該位置不是所注冊的位置，則其將被拒 絕登錄。市場調查可以將已知的衛(wèi)星接收器的位置用于獲取當前正在觀看電 視內容的觀眾的空間信息。在電視或交互式電視中的基于位置的服務可以提供電^L內容的區(qū)域性廣播，從而使得只有在預先確 定的區(qū)域中的用戶能夠接收到相應的電視內容。這就提供了諸 如區(qū)域性廣告、區(qū)域性新聞或者自動語言選擇等的各種新應用。 可以實現(xiàn)取決于一組指定的國家的對電視內容的本地權利管 理，例如廣播足球賽的權利。本發(fā)明可以實現(xiàn)在沒有獲得關于 相應內容的權利的區(qū)域中，抑制對該電視內容的接收。其它應 用是局部地限制這種只在特定國家內允許的電視內容，例如體 育博彩或賭博。對于交互式電視來說，可以提供附近人們的聊 天室或提供可以實施在線購物的本地商店的選擇?；谖恢玫姆盏募夹g實現(xiàn)已經(jīng)是眾所周知的了 。例如，可以4吏用點波束(spot beam)配置應用本地PID過濾，或者可 以使用這兩者的結合。對于點波束配置來說，必須具有具備多個點波束的衛(wèi)星發(fā) 射機應答器或者必須具有具備衛(wèi)星間鏈路的多個衛(wèi)星。地面站 知道每個衛(wèi)星接收器的位置，并且根據(jù)每個接收器的位置決定 內容的路由。每個有效載荷的DVB傳輸流都包含關于在下行鏈 路上有效載荷必須發(fā)射到哪個點波束的信息。然后，衛(wèi)星接收 器應答器根據(jù)該信,^將所接收的上行鏈路的有效載荷切換到各 個點波束。具有覆蓋特定衛(wèi)星接收器覆蓋區(qū)(footprint)的所 有點波束都能夠向所述衛(wèi)星接收器發(fā)射有效載荷。然而，所述 衛(wèi)星接收器不能接收其它點波束的有效載荷。另 一可能性是在每個衛(wèi)星接收器中應用本地PID過濾。為 此，每個衛(wèi)星接收器都具有僅過濾來自下行鏈路與所述衛(wèi)星接 收器的區(qū)域性密鑰相對應的有效載荷的濾波器。該密鑰取決于 衛(wèi)星接收器的位置，并且可以由系統(tǒng)在安裝和i殳立過程中永久 存儲在衛(wèi)星接收器中。例如，可以將衛(wèi)星覆蓋區(qū)分為地理扇區(qū)。 每個衛(wèi)星接收器還具有關于這些扇區(qū)的可用信息，并且根據(jù)其 自身位置確定其位于哪個扇區(qū)中。當發(fā)射電視內容時，每個有 效載荷都包含有關于在哪個扇區(qū)中允許接收有效載荷的信息， 并且衛(wèi)星接收器具有僅過濾那些與接收器扇區(qū)相對應的來自下 行鏈路的有效載荷的濾波器。為上行鏈路的每個有效載荷提供適當?shù)幕谖恢玫姆盏?密鑰的地面站也已知具有相應本地信息的區(qū)域性密鑰。在新的 發(fā)射開始之前，由地面站更新衛(wèi)星接收器中的區(qū)域性密鑰也是 可以的。為此，每個衛(wèi)星接收器都由唯一的ID尋址，其中地面 站在發(fā)射內容之前發(fā)送具有相應密鑰的清除信號。該清除信號 也可以是加密碼，從而使得衛(wèi)星接收器能夠實施信號的解密。圖4 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的三種不 同類型的參考接收器。這些參考接收器的區(qū)別在于安裝成本、 得到的準確性和必需的努力。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第一種類型 的參考接收器。這種類型的參考接收器420使用與地面站422的 發(fā)射時間測量系統(tǒng)408和409同步的接收時間測量系統(tǒng)421對衛(wèi) 星412和413進行真實距離測量。參考接收器420的設置包括具有LNB 423的標準盤形衛(wèi)星 天線、功率分離器(power splitter) 424、接收時間測量系統(tǒng)421 和PC 425。通過功率分離器424將來自LNB 423的IF信號提供給接收 時間測量系統(tǒng)421的測距接收器(RR1, RR2)。接收時間測量系統(tǒng)421使用與地面站422同樣的時間和頻率 源426來測量在上行鏈路站422處由測距包生成器401所生成的 測距包的接收時間。因此，可以將參考接收器420直接安置在地 面站422處。PC 425采集參考接收器420的數(shù)據(jù)和上行鏈路站422 的時間戳信息。知道了上行鏈路時間和接收時間，就可以計算到衛(wèi)星412 和413的距離和3巨離差?？紤]到衛(wèi)星412和413的已知位置，可以 計算所測量的距離差與理論的距離差之差。通過測量上^^鏈路和接收時間，可以非常精確地計算到衛(wèi) 星412和413的距離和相應的距離差。通過將這些測量與理論模 型相比較，可以確定由上述各種因素造成的補償值。還可以檢 查衛(wèi)星星歷(ephemei'is)及其插值。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第二種類型 的參考接收器。這種類型使用單獨的GPS時間和頻率源501,對 衛(wèi)星502和503或者對一 個衛(wèi)星的兩個位置實施偽距測量。由于 使用單獨的GPS時間和頻率源501，因而不需要將參考接收器安 置在地面站中。然而，由于在上行鏈路站與這個本地參考接收 器處的時鐘之間存在同步誤差，所得到的準確性不如根據(jù)圖4 的第一種類型的準確性高。參考圖2所述的測量板504用于一旦信號通過接收器，從測 距包中提取上行鏈路時間戳，在這種情況下接收器是DVB-s接 收器505。參考接收器包括具有LNB 506的標準盤形衛(wèi)星天線、功率 分離器507、接收時間測量系統(tǒng)508、 GPS時間和頻率源501、 DVB-S接收器505、測量板504和PC 509。通過功率分離器507將LNB 506的L波段信號分配給接收時 間測量系統(tǒng)508的所有測距接收器和具有測量板504的接收器 505 。 GPS時間和頻率源501為接收時間測量系統(tǒng)508傳遞時間和 頻率參考，PC 509采集所有的數(shù)據(jù)。測距接收器測量在上行鏈路端由測距包生成器生成的測距 包的接收時間。具有測量板504的DVB-S接收器505接收測距包， 并讀出在上行鏈^各端由測距包生成器插入的、測距包有效載荷 中的上行鏈路時間戳信息。即使利用非同步的時鐘測量了上行鏈路時間和接收時間， 也可以計算到衛(wèi)星502和503的偽距及偽距差。引人注意的是， 得到的系統(tǒng)的準確性仍然相當好。通過將結果與系統(tǒng)理i侖才莫型進行比較，可以再一次確定補 償值。最后，可以驗證衛(wèi)星星歷及其插值。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于改善定位估計的第三種類型 的參考接收器。這種類型使用具有測量板602的DVB-S接收器 601來測量對衛(wèi)星603和604或者一個衛(wèi)星的兩個位置的偽距差。 為此，應用如參考圖2所述的測量板602。該參考接收器使用與根據(jù)本發(fā)明的固定衛(wèi)星接收器相同的 技術。它利用測量板602的內部自動運行的時鐘來測量兩個連續(xù) 測距包的時間差。為了計算偽距差，從測距包的有效載荷中提 取測距包的上行4連^各時間。前面提到，由于參考接收器中的隨機延遲和時間離散化噪 聲，這種系統(tǒng)的準確性受到限制。然而，通過考慮更長的測量 周期并利用更穩(wěn)定的振蕩器，可以實現(xiàn)測量結果的改善。這種參考接收器包括具有LNB 605的標準盤形衛(wèi)星天線、 具有測量板602的DVB-S接收器601、穩(wěn)定的振蕩器(XCO ) 606
和PC 607。與第一種和第二種類型的參考接收器相比，確定補償值時 的準確性較低。然而，這種方法卻提供一種獲得補償因子的更 經(jīng)濟的方法。第三種類型的參考接收器可以被安置在任意已知 的位置。
權利要求
1.一種用于確定固定衛(wèi)星接收器的位置的定位方法，所述固定衛(wèi)星接收器具有固定衛(wèi)星天線，所述定位方法通過衛(wèi)星有效載荷信號中的測距包來確定固定衛(wèi)星接收器的位置，其中，從位于確定的地面站位置的一個或更多地面站發(fā)射所述衛(wèi)星有效載荷信號，并從位于不同的對地同步軌道位置的一個或更多衛(wèi)星中繼，以通過相同的固定衛(wèi)星天線接收所述衛(wèi)星有效載荷信號，所述對地同步軌道位置由一個或更多地面站根據(jù)衛(wèi)星位置信息來控制，其中，相應的衛(wèi)星有效載荷信號中的每個測距包都與關于從相應的地面站發(fā)射所述測距包的時間點的時間戳信息相關，并且其中，由所述固定衛(wèi)星接收器在所接收的衛(wèi)星有效載荷信號中檢測多個所述測距包，測量相應測距包的檢測時間點之間的相對時間差并采集所測量的相對時間差，其中所測量的相對時間差與所述確定的地面站位置、所述時間戳信息和所述衛(wèi)星位置信息相關，用于通過解決所測量的相對時間差的冗余的輔助條件來估計所述固定衛(wèi)星接收器的位置。
2. 根據(jù)權利要求l所述的定位方法，其特征在于，所述衛(wèi) 星有效載荷信號是由 一 個或更多地面站發(fā)射的D V B - S數(shù)據(jù)流。
3. 根據(jù)權利要求l-2中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，所述一個或更多衛(wèi)星的運動被用于涉及所述一個或更多 衛(wèi)星的不同對地同步軌道位置。
4. 根據(jù)權利要求l-3中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，至少兩個衛(wèi)星共同位于一個對地同步軌道槽中。
5. 根據(jù)權利要求l-4中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，使用地球的測地模型作為附加位置信息。
6. 根據(jù)權利要求卜5中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，在所述衛(wèi)星接收器中執(zhí)行所述衛(wèi)星接收器的定位估計， 為此目的，所述測距包攜帶所需的時間戳信息和所需的衛(wèi)星位 置信息，其中，由包序列信息來識別所述每個測距包。
7. 根據(jù)權利要求l-5中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，提供一個地面站，并在所述地面站中執(zhí)行所述衛(wèi)星接收 器的定位估計，為此目的，將所測量的相對時間差從所述固定 衛(wèi)星接收器返回到所述地面站，其中，由包序列信息來識別所 述個測i 巨包。
8. 根據(jù)權利要求l-7中的任一個所迷的定位方法，其特征在于，用于所述固定衛(wèi)星接收器的定位估計的所述輔助條件是 基于最小均方算法。
9. 根據(jù)權利要求l-8中的任一個所述的定位方法，其特征 在于，使用基準值來改善所述固定衛(wèi)星接收器的定位估計，所 述基準值由一個或更多具有已知位置并接收所述衛(wèi)星有效載荷信號的參考接收器提供。
10. —種廣播方法，用于通過至少一個衛(wèi)星將多個有效載 荷信號從地面站廣播到多個固定衛(wèi)星接收器，其中，根據(jù)所述多個固定衛(wèi)星接收器中每一個的位置來控 制每個衛(wèi)星有效載荷信號的有效載荷，其中所述位置是根據(jù)權 利要求l-9中的任一個所述的定位方法所確定的。
11. 根據(jù)權利要求10所述的廣播方法，其特征在于，在發(fā) 射所述有效載荷之前在所述地面站處將相應標志引入所述有效 載荷中，使得每個固定衛(wèi)星接收器都能夠根據(jù)所述標志并由此 根據(jù)所估計的位置，選擇所接收的有效載荷的子集。
12. 根據(jù)權利要求10-11中的任一個所述的廣播方法，其特 征在于，至少一個衛(wèi)星具有多個點波束天線，其中在發(fā)射所述 有效載荷之前在所述地面站處將相應標志引入所述有效載荷 中，使得該至少一個衛(wèi)星能夠根據(jù)所述標志，并由此根據(jù)所估 計的位置，將所接收的有效載荷的子集切換到其中 一個點波束 天線。
13. —種定位設備，用于通過衛(wèi)星有效載荷信號中的測距 包來確定具有固定衛(wèi)星天線的固定衛(wèi)星接收器的位置，其中， 從位于確定的地面站位置的 一 個或更多地面站發(fā)射所述衛(wèi)星有 效載荷信號，并乂人位于不同的對地同步軌道位置的一個或多個 衛(wèi)星中繼，以通過相同的固定衛(wèi)星天線接收所述衛(wèi)星有效載荷 信號，所述對地同步軌道位置由一個或更多地面站根據(jù)衛(wèi)星位置信息來控制，所述定位設備包括接口 ，其通過所述固定衛(wèi)星接收器接收關于從相應的地面 站發(fā)射所述測距包的時間點的、與相應的衛(wèi)星有效載荷信號中 的每個測距包相關的時間戳信息，并用于接收在所述固定衛(wèi)星 接收器中所測量的、在所述衛(wèi)星有效載荷信號中接收的所述測 距包的檢測時間點之間的相對時間差，以及定位處理器，用于采集所測量的相對時間差并使其與所述 確定的地面站位置、所述時間戳信息和所述衛(wèi)星位置信息相關， 以通過解決所測量的相對時間差的冗余的輔助條件來估計所述 固定衛(wèi)星接收器的位置。
14. 根據(jù)權利要求ll所述的定位設備，其特征在于，所述 衛(wèi)星有效載荷信號是由 一 個或更多地面站發(fā)射的D V B - S數(shù)據(jù)
15. 根據(jù)權利要求11-12中的任一個所述的定位設備，其特 征在于，所述一個或更多衛(wèi)星的運動被用于參考所述一個或更 多衛(wèi)星的不同對地同步軌道位置。
16. 根據(jù)權利要求11-13中的任一個所述的定位設備，其特 征在于，至少兩個衛(wèi)星共同位于一個對地同步軌道槽中。
17. 根據(jù)權利要求11-14中的任一個所述的定位設備，其特 征在于，使用地球的測地模型作為附加位置信息。
18. 根據(jù)權利要求11-15中的任一個所述的定位設備，其特 征在于，用于所述固定衛(wèi)星接收器的定位估計的所述輔助條件 是基于最小均方算法。
19. 根據(jù)權利要求11-16中的任一個所述的定位設備，其特 征在于，使用基準值來改善所述固定衛(wèi)星接收器的定位估計， 所述基準值由一個或更多具有已知位置并接收所述衛(wèi)星有效載荷信號的參考接收器提供。
20. —種廣播設備，用于通過至少一個衛(wèi)星將多個有效載 荷信號從地面站廣播到多個固定衛(wèi)星接收器，其中，根據(jù)所述多個固定衛(wèi)星接收器中每一個的位置來控 制每個衛(wèi)星有效載荷信號的有效載荷，其中所述位置是根據(jù)權 利要求13-19中的任一個所述的定位設備所確定的。
21. 根據(jù)權利要求20所述的廣播設備，其特征在于，在發(fā) 射所述有效載荷之前在所述地面站處將相應標志引入所述有效 載荷中，使得每個固定衛(wèi)星接收器都能夠根據(jù)所述標志并由此 根據(jù)所估計的位置，選擇所接收的有效載荷的子集。
22. 根據(jù)權利要求20和21中的任一個所述的廣播設備，其 特征在于，至少一個衛(wèi)星具有多個點波束天線，其中在發(fā)射所 述有效載荷之前在地面站處將相應標志引入所述有效載荷，使 得至少一個衛(wèi)星能夠根據(jù)所述標志，并由此根據(jù)所估計的位置， 將所接收的有效載荷的子集切換到其中一個點波束天線。
全文摘要
通過衛(wèi)星有效載荷信號中的測距包確定具有固定衛(wèi)星天線的固定衛(wèi)星接收器的位置的定位方法和設備。從一個或更多位于確定地面站處的地面站發(fā)射衛(wèi)星有效載荷信號，從一個或更多位于不同對地同步軌道處的衛(wèi)星中繼，以通過同樣的固定衛(wèi)星天線接收衛(wèi)星有效載荷信號，相應衛(wèi)星有效載荷信號中的每個測距包都與關于從相應地面站發(fā)射測距包的時間點的時間戳信息相關，由固定衛(wèi)星接收器在所接收的衛(wèi)星有效載荷信號中檢測多個測距包，測量相應測距包的檢測時間點之間的相對時間差并采集所測量的相對時間差，所測量的相對時間差與確定地面站位置、時間戳信息和衛(wèi)星位置信息相關，以通過解決所述測量的相對時間差的冗余的輔助條件來估計固定衛(wèi)星接收器的位置。
文檔編號G01S5/10GK101213473SQ200680023464
公開日2008年7月2日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權日2005年6月30日
發(fā)明者喬吉斯·克里爾, 居伊·阿勒, 馬庫斯·格羅斯 申請人:Ses阿斯特拉有限公司