CN101213473A - 用于确定固定卫星接收器的位置的方法和设备 - Google Patents

Abstract

通过卫星有效载荷信号中的测距包确定具有固定卫星天线的固定卫星接收器的位置的定位方法和设备。从一个或更多位于确定地面站处的地面站发射卫星有效载荷信号，从一个或更多位于不同对地同步轨道处的卫星中继，以通过同样的固定卫星天线接收卫星有效载荷信号，相应卫星有效载荷信号中的每个测距包都与关于从相应地面站发射测距包的时间点的时间戳信息相关，由固定卫星接收器在所接收的卫星有效载荷信号中检测多个测距包，测量相应测距包的检测时间点之间的相对时间差并采集所测量的相对时间差，所测量的相对时间差与确定地面站位置、时间戳信息和卫星位置信息相关，以通过解决所述测量的相对时间差的冗余的辅助条件来估计固定卫星接收器的位置。

Description

用于确定固定卫星接收器的位置的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种通过卫星有效载荷(payload)信号中的测距包来确定具有固定卫星天线的固定卫星接收器的位置的定位方法和定位设备。此外，本发明还涉及一种广播方法和广播设备。

本发明意义上的测距包是具有专门PID并用于测距目的的卫星有效载荷信号中的任意包。

背景技术

US6,864,838B2公开了一种通过卫星有效载荷信号中的测距包，对卫星进行测距的系统和方法。卫星有效载荷信号是经调制的类似DVB-S信号的数字传输流信号，其中测距包通过时间戳信息插入在这些卫星有效载荷信号中。为了补偿在下行链路部分的解码配置中卫星有效载荷信号的未知延迟，建议在上行链路部分和下行链路部分中使用相同结构的解码配置。在相应的时间测量电路处理测距包中的时间戳之前，相应的测距包通过这些解码配置而在上行链路部分和下行链路部分中被馈送。已经发现，这种结构为关于卫星实施准确测距操作提供了高准确性。然而，US6,864,838B2没有公开地球上固定卫星接收器的定位。

GPS(全球定位系统)是众所周知的系统，其为地球上的任意一点提供准确的定时和测距信息。用于确定GPS接收器的GPS坐标的基本技术是基于对具有已知位置的三个卫星进行三边测量方案(trilateration solution)。如果测量了从每个卫星到接收器的距离，则能够计算接收器的未知位置。三边测量方案对应于理想情况，但是实际上为了补偿测量误差或为了利用其它可以得到的位置信息，也可以应用其它结构。例如，如果接收器的时钟偏差是未知的，则可以使用具有从接收器处可见的四个卫星的四边测量(quadrilateration)的结构。另一方面，如果可以得到准确的本地时钟，并且如果另一方面将地球表面的测地参照模型(geodetic reference model)用作另一个坐标，则也可以应用双边测量(bilateration)结构。

发明内容

GPS接收器已经制造得很好，并且提供了一种在地球上进行精确定位的方法。然而，本发明公开了对于某些目的使用更加简单的接收器代替GPS接收器是足够的。这些目的适用于例如固定卫星接收器必须定位在地球上以及不需要位置的实时测量的情况。

因此，本发明的目的是提供一种固定卫星接收器的易于实施且无需改变现有的系统结构的定位方法，还提供一种相应的定位设备。

通过根据权利要求1的定位方法、根据权利要求13的定位设备、根据权利要求11的广播方法和根据权利要求20的广播设备来实现该目的。

根据本发明的用于确定固定卫星接收器的位置的定位方法，所述固定卫星接收器具有固定卫星天线，所述定位方法通过卫星有效载荷信号中的测距包来确定固定卫星接收器的位置，其中，从位于确定的地面站位置的一个或更多地面站发射所述卫星有效载荷信号，并从位于不同的对地同步轨道位置的一个或更多卫星中继，以通过相同的固定卫星天线接收所述卫星有效载荷信号，所述对地同步轨道位置由一个或更多地面站根据卫星位置信息来控制，其中，相应的卫星有效载荷信号中的每个测距包都与关于从相应的地面站发射所述测距包的时间点的时间戳信息相关，其中，由所述固定卫星接收器在所接收的卫星有效载荷信号中检测多个所述测距包，测量相应测距包的检测时间点之间的相对时间差并采集所测量的相对时间差，其中所测量的相对时间差与所述确定的地面站位置、所述时间戳信息和所述卫星位置信息相关，用于通过解决所测量的相对时间差的冗余的辅助条件来估计所述固定卫星接收器的位置。

根据本发明的定位设备，用于通过卫星有效载荷信号中的测距包来确定具有固定卫星天线的固定卫星接收器的位置的定位设备，其中，从位于确定的地面站位置的一个或更多地面站发射所述卫星有效载荷信号，并从位于不同的对地同步轨道位置的一个或多个卫星中继，以通过相同的固定卫星天线接收所述卫星有效载荷信号，所述对地同步轨道位置由一个或更多地面站根据卫星位置信息来控制，所述定位设备包括：接口，其通过所述固定卫星接收器接收关于从相应的地面站发射所述测距包的时间点的、与相应的卫星有效载荷信号中的每个测距包相关的时间戳信息，并用于接收在所述固定卫星接收器中所测量的、在所述卫星有效载荷信号中接收的所述测距包的检测时间点之间的相对时间差，以及定位处理器，用于采集所测量的相对时间差并使其与所述确定的地面站位置、所述时间戳信息和所述卫星位置信息相关，以通过解决所述测量的相对时间差的冗余的辅助条件来估计所述固定卫星接收器的位置。

本发明使得可以对广播卫星系统中的固定卫星接收器进行定位。自1923年电视问世以来，电视的核心原理并没有改变。广播公司确定节目，而观众不能影响它。但是一种新出现的叫作交互式电视(interactive TV，iTV)的技术使用户可以操作节目的流程，甚至可以参与实际广播中的直播。这些系统使用陆地(terrestrial)或卫星返回通道(back-channel)将用户数据发送回交互式服务的提供商。iTV的典型应用是交互式广告、家庭购物(home shopping)、视频点播(video on demand，VoD)体育博彩(sports betting)和游戏。

利用用户端的最小附加安装，本发明在现有卫星广播系统中实现了一种成本划算的定位结构。与需要在商用卫星电视接收器中安装附加硬件组件的GPS系统相比，本发明提供了一种利用用户已有的固定卫星天线的方法。该方法的原理是测量位于不同对地同步轨道位置但在足够窄的共置于一处(co-located)的卫星的到达时间差，从而使得共置于一处的卫星的下行链路信号仍然能够被固定卫星接收器的同一固定卫星天线接收。现在，为了能够实现对可用轨道槽和有限频谱的最优利用，将卫星定位在一个对地同步轨道槽的同一处。对地面上的用户来说，位于同一处的卫星看起来就像是具有大容量的一个卫星。通过使卫星发射极化正交(polarized orthogonal)和/或具备不同频谱的信号，来避免位于同一处的卫星之间的干扰。

通常，用于从对地同步轨道位置接收卫星有效载荷信号的固定卫星天线是具有一个低讯降频放大器(low noise blockdownconverter，LNB)的盘形卫星天线(satellite dish)，其能够从一个对地同步轨道槽(slot)接收卫星有效载荷信号。本发明能够使一个对地同步轨道槽中这些对地同步轨道位置之间的分辨率窄到0.1°或者甚至更低。

然而，还可以用具有两个或更多安装在盘不同焦点上的LNB的盘形卫星天线，从而使得能够接收来自不同对地同步轨道槽的卫星有效载荷信号。由于对地同步轨道位置之间的空隙较大，这些盘形卫星天线还可以根据本发明，用来提供所测量的相对时间差的更好的分辨率。

对本发明进一步认识的事实是，对来自不同卫星位置的两个卫星有效载荷信号的相应测距包检测时间点之间的相对时间差进行测量。因此，没有必要使固定卫星接收器知道绝对GPS时间，而只需要提供精确和稳定的时钟，用于对200μs范围内的所述相对时间差进行测量，其中由于从一个卫星有效载荷信号到另一个卫星有效载荷信号的必要切换，两个不同卫星有效载荷信号中两个测距包的两个连续检测持续时间在1秒量级内。这就使得可以免于在固定卫星接收器中安装昂贵的时间测量设备。并且，在测量之间，可以将固定卫星接收器的本地振荡器频率调整到基准频率，该基准频率可以从卫星有效载荷信号中提取。这种基准频率可以例如由MPEG数据流的PCR值提供。从卫星有效载荷信号中提取这种基准频率的相应设备和方法例如公开在EP 1030464 B1中。

为固定卫星接收器的随后的定位估计采集所测量的相对时间差。一旦采集了足够的相对时间差，方程系统中的相对时间差就与系统中可用的其它信息相关，其中所述其它信息是：确定的一个或更多地面站的地面站位置、关于从相应地面站发射每个测距包的时间点的时间戳信息、和关于相应测距包被中继的相应卫星位置的卫星位置信息。结果是超定的(overdetermined)方程系统，但是其可通过用于解决测量的相对时间差的冗余的辅助条件来解决。

根据本发明又一个方面，该卫星有效载荷信号是由一个或更多地面站发射的DVB-S数据流。因此，可以使用现有的卫星接收器的DVB-S前端，同时，测距包所占用的数据带宽小到可以忽略，不会影响传统DVB-S数据流。

根据本发明又一个方面，将一个或更多卫星的运动用来涉及一个或更多卫星不同的对地同步轨道位置。由此，原理上，一个卫星足以提供卫星接收器处所有必需的定位信息。然而，根据优选方面，至少两个卫星共同位于一个对地同步轨道槽中，通过这样，可以一次提供一个相对时间差的一个测量信息。一旦所述两个卫星其中的至少一个的位置改变，就可以对另一个相对时间差进行进一步测量。这对多于两个卫星的结构同样适用，其中可以以适当的方式在相应的卫星有效载荷信号之间切换，以实现对相对时间差的所需测量。此外，为了减少固定卫星接收器的位置中的一个未知变量，可以将地球的测地模型用作进一步的位置信息。

测距包可以由包序列信息来识别，其中该包序列信息与相应的确定的地面站位置、时间戳信息和卫星位置信息明确地相关。

根据本发明又一个方面，卫星接收器的定位估计是在所述卫星接收器中执行，为此，除了包序列信息之外，测距包还携带必要的时间戳信息和必要的卫星位置信息。

根据本发明另一个方面，提供一个地面站，其中在所述地面站中执行卫星接收器的定位估计。为此，将所测量的相对时间差与相应的包序列信息一起，从固定卫星接收器返回到所述地面站。通常，不言而喻，卫星接收器的定位估计过程不必限于任何特定位置或定位，而是可以在适于实现该目的的任何地方执行，只要所有的必要信息都已经发射到这个位置就可以了。

根据本发明又一个方面，用于固定卫星接收器定位估计的辅助条件基于最小均方算法。根据本发明，所采集的数据量将超出未知变量，使得所得到的方程系统是超定的。这种冗余可以通过条件来解决，其中该条件是所估计的解关于单个采集数据的误差方差应该被最小化。可通过递归算法向该算法依次馈送新数据找到相应解，或者通过求解得到的方程系统为所采集数据的一个数据块找到相应解。

根据本发明又一个方面，使用基准值来改善固定卫星接收器的定位估计，其中所述基准值由一个或更多具有已知位置并接收卫星有效载荷信号的基准接收器来提供。

参考接收器既可以定位在地面站中，也可以定位在别的某处，使得可以在参考接收器连接到GPS时间和频率源的情况下测量测距包的接收时间，或者可以在参考接收器只提供自由运行的振荡器时测量两个连续测距包的时间差。原理是将这些测量结果与理论值相比较，其中理论值可以基于相应地面站、相应的卫星和参考接收器自身的已知位置来获得。以这种方式补偿的延迟例如是仍然未知的地面站延迟、卫星发射机应答器(transponder)中的未知延迟等。

如上已经提到的，本发明使得可以在交互式电视环境中提供基于位置的服务。

因此，根据本发明的另一种方法是广播方法，用于通过至少一个卫星从地面站广播多个卫星有效载荷信号到多个固定卫星接收器，其中每个卫星有效载荷信号的有效载荷都根据由上述定位方法所确定的所述多个

固定卫星接收器中每一个的位置来控制。

此外，根据本发明的另一种设备是广播设备，用于通过至少一个卫星从地面站广播多个卫星有效载荷信号到多个固定卫星接收器，其中每个卫星有效载荷信号的有效载荷都根据由上述定位设备所确定的所述多个固定卫星接收器中每一个的位置来控制。

每个卫星有效载荷信号的有效载荷可以根据固定卫星接收器的位置由相应标记(marker)控制，其中所述标记在发射有效载荷之前在地面站处引入到有效载荷中。尽管有效载荷被广播使得所有有效载荷可以被所有固定卫星接收器所接收，但可以在每个固定卫星接收器中提供滤波器，其可根据标记并因此根据所估计的位置来选择所接收的有效载荷的子集。

另一种可能性是提供至少一个具有多个点波束天线的卫星，其中在发射有效载荷之前在地面站引入有效载荷的相应标记使得至少一个卫星可以根据标记并因此根据所估计的位置，将所接收的有效载荷子集切换到其中一个点波束天线。

最后，还可以将点波束配置与在固定卫星接收器处的滤波结合起来。

附图说明

现在将通过例子并参考附图说明本发明，其中：

图1示出了根据本发明的卫星广播系统的上行链路部分；

图2示出了根据本发明的固定卫星接收器测量板的示意图；

图3示出了根据本发明的用于确定固定卫星接收器的位置的卫星广播系统；

图4示出了根据本发明的用于改善定位估计的第一种类型的参考接收器；

图5示出了根据本发明的用于改善定位估计的第二种类型的参考接收器；

图6示出了根据本发明的用于改善定位估计的第三种类型的参考接收器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的卫星广播系统的上行链路部分。上行链路部分的任务是提供为上行链路卫星有效载荷信号，并在该卫星有效载荷信号中插入测距包。除了能够处理单向卫星有效载荷信号之外，卫星还可以具有进行双向通信的能力。这是在处理作为本发明的应用的交互式电视(iTV)时所特别关心的。

卫星有效载荷信号可以是例如DVB-S型的卫星有效载荷信号。每个测距包都具有包序列信息，并且与时间戳信息和卫星位置信息相关。如果定位估计发生在固定卫星接收器中，则测距包可以携带包序列信息、时间戳信息和卫星位置信息。另一个方面，如果定位估计发生在地面站中，则每个测距包只携带与相应的时间戳信息相关的包序列信息和存储在地面站中的卫星位置信息就足够了。

包序列信息对应于通常DVB-S卫星有效载荷信号的连续计数器，但是有所扩展，从而使得包序列信息在特定固定卫星接收器的一次定位估计过程中保持单值而不达到其最大值。

时间戳信息为每个测距包提供对应于从上行链路站发射该测距包的时刻的时间戳。

卫星位置信息对应于在从上行链路站发射测距包的时刻，测距包被发送到的卫星的位置。可以在相应的控制该卫星的位置的地面站中得到该卫星位置信息。

要被插入的测距包由测距包生成器101生成，并被发送到操作测距包的有效载荷的测距信息插入102。因此，在测距信息插入102处插入相应包的包序列信息。此外，在测距信息插入102中也可以得到前面的测距包的时间戳信息，并将其插入到当前的测距包中。如果测量中包含多于一个的卫星，则将并行发送到相应卫星的前面的测距包的所有可得到的时间戳信息都插入到当前的测距包中，从而使得固定卫星接收器无需从这些定位估计所必需的时间戳信息中选择一个时间戳信息。

将以这种方式修改的测距包发送到MUX矩阵103。MUX矩阵103组合不同的数据源，并将它们合并在一个卫星有效载荷信号中。当上行链路设备构成上行链路104和上行链路105之后，在分离器(splitter)114和115中分开卫星有效载荷信号。通过天线110、111将卫星有效载荷信号116、117发射到卫星112、113，而由降频变频器(block down converter)106、107将卫星有效载荷信号118、119从发射频率变换到较低的中间频率，并将其馈送到发射时间测量系统108、109。

发射时间测量系统108、109可以测量测距包已经通过MUX矩阵的时刻，从而使得该测量不考虑随机产生的MUX矩阵的延迟，尽管测距包离开上行链路设备的实际时刻不能由发射时间测量系统108、109测量，但是只要分离器114、115和降频变频器106、107的延迟接近相等，由发射时间测量系统108、109提供的时间戳信息仍然能够用于确定两个卫星有效载荷信号的相对时间差。

一旦由发射时间测量系统108、109中的一个已经确定了一个包的发射时间，由于当前包已经离开了上行链路部分，就将相应的时间戳信息插入到随后的测距包中。

尽管前面的说明仅涉及一个地面站，应该注意，根据本发明可以采用多于一个的地面站。在这种情况下，必须在各地面站之间实现时间和频率同步。在任何情况下，知道地面站在地球上的精确位置都是必要的。

卫星的位置还由地面站控制，例如通过经由地面站向卫星发送相应的卫星位置信息。

图2示出了根据本发明的固定卫星接收器的测量板的示意图。测量板201正在控制DVB-S接收器202、监视数字输出流(卫星有效载荷信号)，并通过串行端口203与PC进行通信。

由于经济的原因，测量板与GPS时钟时间不同步。然而，所接收到的卫星有效载荷信号的DVB-S数据流可以控制驱动测量板的计数器204的自由运行的振荡器(free runningoscillator)，从而使得只出现相对于GPS时钟的时间偏移。为此，连续引入的具有时间戳信息的测距包或DVB-S有效载荷包的时钟参考被用作时间参考。知道了两个测距包之间的时间和自由运行的振荡器在该时间内的改变，就可以估计在这段时间上的平均频率

由于计数器204与GPS时钟之间的时间偏移，不可能直接计算到卫星的距离。然而，可以计算来自两个不同卫星位置的两个卫星有效载荷信号中的相应时间戳信息或相应包序列信息的检测时间点之间的相对时间差，在这种情况下，消除了该时间偏移。

由包识别符(PID)滤波器205触发计数器204，为具有正确PID的测距包检查卫星有效载荷信号。将那些测距包锁在FIFO206中。

为了确定两个测距包之间的相对时间差，必须接收两个卫星有效载荷信号。然而，由于接收器202只有一个调谐器(tuner)，因此，接收器202不可能同时接收两个卫星有效载荷信号。因此，只能在切换到其它卫星有效载荷信号之后测量两个连续测距包的相对时间差。然而，假设系统特别是卫星位置没有改变，则结果将会是相同的。

因此，为了进行测量，从第一卫星接收测距包，然后将该接收器改变到从第二卫星接收测距包。在一定数量的测距包之后周期性地进行这种改变。

原理上，存在由接收器固有的随机延迟、卫星运动和频率估计误差所造成的准确性损失。

接收器的随机延迟引起的误差可以在应用估计接收器的位置的算法时，通过平均效应而减小。知道了卫星的运动，还可以在后处理中校正由卫星运动所造成的误差。

图3示出了根据本发明的用于确定固定卫星接收器的位置的卫星广播系统。上行链路302中的测距包生成器301提供具有特定PID的DVB-S测距包。如关于图1的说明所述，将那些测距包插入到DVB-S卫星有效载荷信号中，并经由地面站303和304将它们发射到卫星305和306。

为了处于iTV接收器307(固定卫星接收器)的视距(line ofsight)中，而无需对后者进行重新调整，卫星必须共同位于(co-located)同样的对地同步轨道位置，即被定位在相同的站保持箱(station keeping box)中。

测距包由卫星中继，并被发送到固定卫星接收器307。该卫星接收器307包括降频变频器(例如LNB/整块(Monoblock))、传输卫星有效载荷信号的DVB-S接收器308和距离差测量部309。距离差测量部309测量所插入的测距包的测距包到达时间(PAT)并计算距离差。

可以如下计算两个DVB-S卫星链路的距离差Δρ_meas。使用图3中给出的附图标记，即：

d_ul，1上行链路路径上到卫星1的距离

d_dl，1下行链路路径上自卫星1的距离

d_ul，2上行链路上路径到卫星2的距离

d_dl，2下行链路上路径自卫星2的距离

卫星Satl的位置

卫星Sat2的位置

下行链路位置

上行链路位置

△ρ_meas可以写作：

其中△ρ_meas与所测量的相对时间差成比例，以光速作为比例因数。

如图1所示，用于估计相对时间差的技术是将具有特定ID(PID)的测距包插入到两个卫星链路的DVB-S卫星有效载荷信号中，并测量发射和接收时间。即使发射和接收时间不是在同一个时间帧中测量，即存在偏移，也可以利用这个信息确定相对时间差。

DVB-S测距包的使用使得可以使用现有的链路结构，而无需在接收器端安装附加设备，并且避免了发射诸如扩频信号之类的附加信号而干扰主信号。

现有的接收器主要是指向专有的对地同步轨道位置的单馈送系统。使用位于同一处的对地同步卫星使得可以利用所述单馈送天线接收不同的卫星，但是所得到的卫星几何图较差。方程1示出了距离差△ρ_meas和下行链路位置

之间的非线性关系。可以通过使用剪裁近似(tailor approximation)在近似的参考点周围线性化该方程：

${\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{dl}}={\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{ref}}+d\stackrel{\→}{x}---\left(2\right)$

所得到的对单距离差测量的线性方程为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{meas}}\stackrel{!}{=}{d}_{\mathrm{up},2}-d_{\mathrm{up},1}+\frac{{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\→}{s}}_2}{|{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\→}{s}}_2|}\·d\stackrel{\→}{x}-\frac{{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\→}{s}}_1}{|{\stackrel{\→}{x}}_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\→}{s}}_1|}\·d\stackrel{\→}{x}---\left(3\right)$

为了对终端位置进行三边测量，需要至少三个不同的测重。为了降低未知变量的级(level)，假设用户终端在地球表面上，并将用户终端的位置固定在地球的测地模型上的特定高度。所用的地球模型是测地参考系统(Geodetic Reference System)1980(GSR80)。

即使加入高度信息，仍然缺少第三个方程。为了获得足够数量的方程，利用对地同步卫星的运动来随着时间实现多个测量，并实现不同的卫星星区。然而，由于卫星的最小运动，可能需要应用大到几个小时的观察周期。用于该过程的停止判据是所估计的固定卫星接收器的位置在预先确定的边界内的收敛。这意味着，一旦从一个测量到下一个测量所估计的位置不再发生显著的改变，该位置就被认为是足够精确的了。

如果只有这一个值的噪声水平已知，这些停止判据还可以基于一个可获得的值来计算，而无需对固定卫星接收器的位置进行估计。系统和这一个值的噪声水平的知识使得可以在实际执行估计算法之前预测定位估计的不确定性。如果所预测的不确定性足够小，则可以停止采集测量。

并且，对定位估计不确定性的所述预测还可用于为了找到位于同一处的卫星关于当前测量的最优卫星星区。因此，如果有多于两个位于同一处的卫星在一个单轨道槽中，可以总是选择那两个卫星来测量相对时间差，这样产生最低的预测的定位估计不确定性。

最后，通过使用对定位估计不确定性的所述预测，还可以事先估计对于采集足够数据来说必要的时间段，所述数据用于获得特定误差边界内的定位估计。

实际的测量表明，基于在一个站保持箱中位于同一处的卫星，可获得的定位估计的准确性为大约1.5km到3.0km。

位置估计基于方程4中所述的几个距离差测量，并可以结合在一个方程系中：

这个矩阵方程是超定的，可以使用能见度矩阵(visibilitymatrix)A的广义伪逆A^-，在最小均方误差的意义下求解。

A ^-＝(A ^T A)^-1 A ^T    (6)

$d\stackrel{\→}{x}={\underset{\‾}{A}}^{-}\·\stackrel{\→}{b}---\left(7\right)$

最后，应该注意，可以在固定卫星接收器中进行定位估计，也可以在地面站中进行定位估计。在第一种情况下，必须与相应卫星的卫星位置信息和测距包本身所确定的地面站位置一起，为每个测距包发送时间戳信息。这种情况适合于没有对地面站的返回信道的接收器。然而，必须在相应接收器中提供附加的处理能力以进行必要的计算。

在第二种情况下，每个包的包序列信息与存储在地面站中相应的时间戳信息相关是足够的，其中将所测量的相对时间差从固定接收器返回到地面站。在地面站进行位置计算减少了每个固定接收器处的必要处理能力，并使得能够在每个固定接收器处实现低成本的位置估计。为了向已知卫星位置信息且然后可执行合成的计算的地面站发送时间戳，仅需具有低比特率的返回信道。

尽管在对图1的说明中给出了一种方法，通过这种方法可以确定所谓的插入时间并因此在接下来的定位估计中考虑该插入时间，但是，系统中仍然存在某些测量的不准确性。这种测量不准确性可以包括地面站中仍未知的延迟、卫星发射机应答器(transponder)中的未知延迟、取决于测量方法(注意，利用连续测距包的测量依赖于，但经常不适用于固定卫星的假设)的误差，以及卫星位置中的误差，只考虑插入时间时很难照顾到所有因素。

为了解决这个问题，可以将一个或更多参考接收器添加到上述的位置确定系统中。每个参考接收器将改善结果的准确性并且还将缩短测量周期。

参考接收器是具有地球上已知地面位置的固定安装的接收器。参考接收器不断地测量卫星的不同位置和/或不同卫星的位置之间的距离差。基本思想是将以这种方法测量的到达时间延迟(TDOA)与TDOA的理论值相比较，可以基于地面站、卫星和参考接收器的已知位置获得该理论值。

通过计算理论模型与测量之差，可以确定补偿值。在估计固定卫星接收器的位置时可以使用该补偿值。以这种方式，可以消除包含在补偿值中的测量不准确性或者至少在进一步的位置确定中降低。由于在估计位置时的准确性得到改善，所需测量数也将减少，即所估计的位置更快地收敛到实际位置。

一旦每个卫星接收器的位置信息已知(在卫星接收器处，在地面站处，或者在这两个位置处)，就有各种可能性来增强整个广播系统的特征。下面，通过例子来说明这些可能性和应用中的一些。

连续监视盘形卫星天线的校准

如果接收器自身已知该卫星接收器的位置，则该接收器可以计算到相应卫星的最优校准角。凭借相应的传感器可以监视实际校准角，并且可以将实际校准角与期望的校准角相比较。在建立过程中或有外部影响的情况下，可以校正实际校准角以重新达到期望的校准角。

增强的条件访问和增强的认证

一些付费电视频道需要用户登录，这意味着用户在地面站注册。对用户位置的了解使得能够检查用户在登录过程中是否处在正确的位置。如果该位置不是所注册的位置，则其将被拒绝登录。

市场调查

可以将已知的卫星接收器的位置用于获取当前正在观看电视内容的观众的空间信息。

在电视或交互式电视中的基于位置的服务

可以提供电视内容的区域性广播，从而使得只有在预先确定的区域中的用户能够接收到相应的电视内容。这就提供了诸如区域性广告、区域性新闻或者自动语言选择等的各种新应用。可以实现取决于一组指定的国家的对电视内容的本地权利管理，例如广播足球赛的权利。本发明可以实现在没有获得关于相应内容的权利的区域中，抑制对该电视内容的接收。其它应用是局部地限制这种只在特定国家内允许的电视内容，例如体育博彩或赌博。对于交互式电视来说，可以提供附近人们的聊天室或提供可以实施在线购物的本地商店的选择。

基于位置的服务的技术实现已经是众所周知的了。例如，可以使用点波束(spot beam)配置应用本地PID过滤，或者可以使用这两者的结合。

对于点波束配置来说，必须具有具备多个点波束的卫星发射机应答器或者必须具有具备卫星间链路的多个卫星。地面站知道每个卫星接收器的位置，并且根据每个接收器的位置决定内容的路由。每个有效载荷的DVB传输流都包含关于在下行链路上有效载荷必须发射到哪个点波束的信息。然后，卫星接收器应答器根据该信息将所接收的上行链路的有效载荷切换到各个点波束。具有覆盖特定卫星接收器覆盖区(footprint)的所有点波束都能够向所述卫星接收器发射有效载荷。然而，所述卫星接收器不能接收其它点波束的有效载荷。

另一可能性是在每个卫星接收器中应用本地PID过滤。为此，每个卫星接收器都具有仅过滤来自下行链路与所述卫星接收器的区域性密钥相对应的有效载荷的滤波器。该密钥取决于卫星接收器的位置，并且可以由系统在安装和设立过程中永久存储在卫星接收器中。例如，可以将卫星覆盖区分为地理扇区。每个卫星接收器还具有关于这些扇区的可用信息，并且根据其自身位置确定其位于哪个扇区中。当发射电视内容时，每个有效载荷都包含有关于在哪个扇区中允许接收有效载荷的信息，并且卫星接收器具有仅过滤那些与接收器扇区相对应的来自下行链路的有效载荷的滤波器。

为上行链路的每个有效载荷提供适当的基于位置的服务的密钥的地面站也已知具有相应本地信息的区域性密钥。在新的发射开始之前，由地面站更新卫星接收器中的区域性密钥也是可以的。为此，每个卫星接收器都由唯一的ID寻址，其中地面站在发射内容之前发送具有相应密钥的清除信号。该清除信号也可以是加密码，从而使得卫星接收器能够实施信号的解密。

图4～图6示出了根据本发明的用于改善定位估计的三种不同类型的参考接收器。这些参考接收器的区别在于安装成本、得到的准确性和必需的努力。

图4示出了根据本发明的用于改善定位估计的第一种类型的参考接收器。这种类型的参考接收器420使用与地面站422的发射时间测量系统408和409同步的接收时间测量系统421对卫星412和413进行真实距离测量。

参考接收器420的设置包括具有LNB423的标准盘形卫星天线、功率分离器(power splitter)424、接收时间测量系统421和PC425。

通过功率分离器424将来自LNB423的IF信号提供给接收时间测量系统421的测距接收器(RR1，RR2)。

接收时间测量系统421使用与地面站422同样的时间和频率源426来测量在上行链路站422处由测距包生成器401所生成的测距包的接收时间。因此，可以将参考接收器420直接安置在地面站422处。PC425采集参考接收器420的数据和上行链路站422的时间戳信息。

知道了上行链路时间和接收时间，就可以计算到卫星412和413的距离和距离差。考虑到卫星412和413的已知位置，可以计算所测量的距离差与理论的距离差之差。

通过测量上行链路和接收时间，可以非常精确地计算到卫星412和413的距离和相应的距离差。通过将这些测量与理论模型相比较，可以确定由上述各种因素造成的补偿值。还可以检查卫星星历(ephemeris)及其插值。

图5示出了根据本发明的用于改善定位估计的第二种类型的参考接收器。这种类型使用单独的GPS时间和频率源501，对卫星502和503或者对一个卫星的两个位置实施伪距测量。由于使用单独的GPS时间和频率源501，因而不需要将参考接收器安置在地面站中。然而，由于在上行链路站与这个本地参考接收器处的时钟之间存在同步误差，所得到的准确性不如根据图4的第一种类型的准确性高。

参考图2所述的测量板504用于一旦信号通过接收器，从测距包中提取上行链路时间戳，在这种情况下接收器是DVB-s接收器505。

参考接收器包括具有LNB506的标准盘形卫星天线、功率分离器507、接收时间测量系统508、GPS时间和频率源501、DVB-S接收器505、测量板504和PC509。

通过功率分离器507将LNB506的L波段信号分配给接收时间测量系统508的所有测距接收器和具有测量板504的接收器505。GPS时间和频率源501为接收时间测量系统508传递时间和频率参考，PC509采集所有的数据。

测距接收器测量在上行链路端由测距包生成器生成的测距包的接收时间。具有测量板504的DVB-S接收器505接收测距包，并读出在上行链路端由测距包生成器插入的、测距包有效载荷中的上行链路时间戳信息。

即使利用非同步的时钟测量了上行链路时间和接收时间，也可以计算到卫星502和503的伪距及伪距差。引人注意的是，得到的系统的准确性仍然相当好。

通过将结果与系统理论模型进行比较，可以再一次确定补偿值。最后，可以验证卫星星历及其插值。

图6示出了根据本发明的用于改善定位估计的第三种类型的参考接收器。这种类型使用具有测量板602的DVB-S接收器601来测量对卫星603和604或者一个卫星的两个位置的伪距差。为此，应用如参考图2所述的测量板602。

该参考接收器使用与根据本发明的固定卫星接收器相同的技术。它利用测量板602的内部自动运行的时钟来测量两个连续测距包的时间差。为了计算伪距差，从测距包的有效载荷中提取测距包的上行链路时间。

前面提到，由于参考接收器中的随机延迟和时间离散化噪声，这种系统的准确性受到限制。然而，通过考虑更长的测量周期并利用更稳定的振荡器，可以实现测量结果的改善。

这种参考接收器包括具有LNB 605的标准盘形卫星天线、具有测量板602的DVB-S接收器601、稳定的振荡器(XCO)606和PC607。

与第一种和第二种类型的参考接收器相比，确定补偿值时的准确性较低。然而，这种方法却提供一种获得补偿因子的更经济的方法。第三种类型的参考接收器可以被安置在任意已知的位置。

Claims (22)

1.一种用于确定固定卫星接收器的位置的定位方法，所述固定卫星接收器具有固定卫星天线，所述定位方法通过卫星有效载荷信号中的测距包来确定固定卫星接收器的位置，

其中，从位于确定的地面站位置的一个或更多地面站发射所述卫星有效载荷信号，并从位于不同的对地同步轨道位置的一个或更多卫星中继，以通过相同的固定卫星天线接收所述卫星有效载荷信号，所述对地同步轨道位置由一个或更多地面站根据卫星位置信息来控制，

其中，相应的卫星有效载荷信号中的每个测距包都与关于从相应的地面站发射所述测距包的时间点的时间戳信息相关，并且

其中，由所述固定卫星接收器在所接收的卫星有效载荷信号中检测多个所述测距包，测量相应测距包的检测时间点之间的相对时间差并采集所测量的相对时间差，其中所测量的相对时间差与所述确定的地面站位置、所述时间戳信息和所述卫星位置信息相关，用于通过解决所测量的相对时间差的冗余的辅助条件来估计所述固定卫星接收器的位置。

2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述卫星有效载荷信号是由一个或更多地面站发射的DVB-S数据流。

3.根据权利要求1-2中的任一个所述的定位方法，其特征在于，所述一个或更多卫星的运动被用于涉及所述一个或更多卫星的不同对地同步轨道位置。

4.根据权利要求1-3中的任一个所述的定位方法，其特征在于，至少两个卫星共同位于一个对地同步轨道槽中。

5.根据权利要求1-4中的任一个所述的定位方法，其特征在于，使用地球的测地模型作为附加位置信息。

6.根据权利要求1-5中的任一个所述的定位方法，其特征在于，在所述卫星接收器中执行所述卫星接收器的定位估计，为此目的，所述测距包携带所需的时间戳信息和所需的卫星位置信息，其中，由包序列信息来识别所述每个测距包。

7.根据权利要求1-5中的任一个所述的定位方法，其特征在于，提供一个地面站，并在所述地面站中执行所述卫星接收器的定位估计，为此目的，将所测量的相对时间差从所述固定卫星接收器返回到所述地面站，其中，由包序列信息来识别所述个测距包。

8.根据权利要求1-7中的任一个所述的定位方法，其特征在于，用于所述固定卫星接收器的定位估计的所述辅助条件是基于最小均方算法。

9.根据权利要求1-8中的任一个所述的定位方法，其特征在于，使用基准值来改善所述固定卫星接收器的定位估计，所述基准值由一个或更多具有已知位置并接收所述卫星有效载荷信号的参考接收器提供。

10.一种广播方法，用于通过至少一个卫星将多个有效载荷信号从地面站广播到多个固定卫星接收器，

其中，根据所述多个固定卫星接收器中每一个的位置来控制每个卫星有效载荷信号的有效载荷，其中所述位置是根据权利要求1-9中的任一个所述的定位方法所确定的。

11.根据权利要求10所述的广播方法，其特征在于，在发射所述有效载荷之前在所述地面站处将相应标志引入所述有效载荷中，使得每个固定卫星接收器都能够根据所述标志并由此根据所估计的位置，选择所接收的有效载荷的子集。

12.根据权利要求10-11中的任一个所述的广播方法，其特征在于，至少一个卫星具有多个点波束天线，其中在发射所述有效载荷之前在所述地面站处将相应标志引入所述有效载荷中，使得该至少一个卫星能够根据所述标志，并由此根据所估计的位置，将所接收的有效载荷的子集切换到其中一个点波束天线。

13.一种定位设备，用于通过卫星有效载荷信号中的测距包来确定具有固定卫星天线的固定卫星接收器的位置，其中，从位于确定的地面站位置的一个或更多地面站发射所述卫星有效载荷信号，并从位于不同的对地同步轨道位置的一个或多个卫星中继，以通过相同的固定卫星天线接收所述卫星有效载荷信号，所述对地同步轨道位置由一个或更多地面站根据卫星位置信息来控制，所述定位设备包括：

接口，其通过所述固定卫星接收器接收关于从相应的地面站发射所述测距包的时间点的、与相应的卫星有效载荷信号中的每个测距包相关的时间戳信息，并用于接收在所述固定卫星接收器中所测量的、在所述卫星有效载荷信号中接收的所述测距包的检测时间点之间的相对时间差，以及

定位处理器，用于采集所测量的相对时间差并使其与所述确定的地面站位置、所述时间戳信息和所述卫星位置信息相关，以通过解决所测量的相对时间差的冗余的辅助条件来估计所述固定卫星接收器的位置。

14.根据权利要求11所述的定位设备，其特征在于，所述卫星有效载荷信号是由一个或更多地面站发射的DVB-S数据流。

15.根据权利要求11-12中的任一个所述的定位设备，其特征在于，所述一个或更多卫星的运动被用于参考所述一个或更多卫星的不同对地同步轨道位置。

16.根据权利要求11-13中的任一个所述的定位设备，其特征在于，至少两个卫星共同位于一个对地同步轨道槽中。

17.根据权利要求11-14中的任一个所述的定位设备，其特征在于，使用地球的测地模型作为附加位置信息。

18.根据权利要求11-15中的任一个所述的定位设备，其特征在于，用于所述固定卫星接收器的定位估计的所述辅助条件是基于最小均方算法。

19.根据权利要求11-16中的任一个所述的定位设备，其特征在于，使用基准值来改善所述固定卫星接收器的定位估计，所述基准值由一个或更多具有已知位置并接收所述卫星有效载荷信号的参考接收器提供。

20.一种广播设备，用于通过至少一个卫星将多个有效载荷信号从地面站广播到多个固定卫星接收器，

其中，根据所述多个固定卫星接收器中每一个的位置来控制每个卫星有效载荷信号的有效载荷，其中所述位置是根据权利要求13-19中的任一个所述的定位设备所确定的。

21.根据权利要求20所述的广播设备，其特征在于，在发射所述有效载荷之前在所述地面站处将相应标志引入所述有效载荷中，使得每个固定卫星接收器都能够根据所述标志并由此根据所估计的位置，选择所接收的有效载荷的子集。

22.根据权利要求20和21中的任一个所述的广播设备，其特征在于，至少一个卫星具有多个点波束天线，其中在发射所述有效载荷之前在地面站处将相应标志引入所述有效载荷，使得至少一个卫星能够根据所述标志，并由此根据所估计的位置，将所接收的有效载荷的子集切换到其中一个点波束天线。

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