CN104137447B - 估计航天器或飞行器发射的目标信号行程差的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于估计由航天器或飞行器(21)发射的目标信号所跟随的分别到达接收基站的第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)的两个路径之间的行程差的方法(50)。该方法(50)包括测量与由第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)接收的目标信号相对应的信号之间的有用相位差的步骤(500)以及根据有用相位差测量来估计行程差的步骤(502)。此外，测量有用相位差的步骤(500)包括使分别由第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)接收的信号与参考目标信号相关，或者利用FFT或PLL分析分别由第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)接收的所述信号。本发明还涉及一种用于估计行程差的系统(30)。

Description

估计航天器或飞行器发射的目标信号行程差的方法和系统
技术领域
本发明属于航天器或飞行器观测的领域，并且更具体地，涉及一种用于估计由所述飞行器发射的称为“目标信号”的信号所跟随的分别到达接收基站的第一接收天线和第二接收天线上的两个路径之间的行程差的系统和方法。
尽管以非限制性的方式，然而本发明尤其有利地适用于特别针对对地静止轨道(GEO)中的卫星的卫星轨道恢复。
背景技术
图1示出了用于恢复GEO轨道中的卫星20的轨道的已知系统10。
已知的轨道恢复系统10包括由第一接收天线12a和第二接收天线12b构成的接收基站。卫星20发射目标信号到地球，并且该目标信号被接收基站的第一接收天线12a和第二接收天线12b中的每个接收天线接收。
例如，尤其通过估计所述目标信号所跟随的分别到达接收基站的第一接收天线12a和第二接收天线12b上的两个路径之间的行程差，来恢复卫星20的轨道。
根据与第一接收天线12a和第二接收天线12b上分布接收的目标信号相对应的信号之间的相位差，来估计图1中标记为“dm”的行程差。
行程差dm例如用于估计图1中标记为“θ”的目标信号相对于接收基站的到达方向，这通常是通过假定所述到达方向θ对于第一和第二接收天线12a、12b中的每一个都相同来实现的(该近似在如下假设下有效：接收基站和卫星20之间的距离远大于图1中标记为“db”的第一接收天线12a与第二接收天线12b之间的距离)。根据另一示例，通过可能地考虑其他测量结果和/或信息，行程差dm直接用于卫星20的轨迹模型以直接恢复所述卫星的轨道。
处理装置14执行第一和第二接收天线12a、12b上接收的所述信号的处理操作。处理装置14分别通过第一接收链16a和第二接收链16b而关联于第一和第二接收天线中的每一个。
通常，接收基站的第一和第二接收天线12a、12b之间的距离db越大，行程差dm的估计就越准确。在已知的GEO轨道恢复系统10中，距离db约为几百米。
然而，行程差估计的准确性很大程度上取决于相位差测量的准确性，而相位差测量的准确性取决于由第一和第二接收天线12a、12b接收的目标信号的信号噪声/干扰比。因此，如果该信号噪声/干扰较低，则估计的准确性将较低，并且对第一和第二接收链16a、16b的相位稳定更加敏感。实际上，测量的相位差的变化包括由行程差dm的变化引起的变化和关联于第一和第二接收链16a、16b的相位不稳定的变化二者。
为了提高信号噪声/干扰比，第一和第二接收天线12a、12b是高度定向的，以具有非常显著的各自的天线增益。为了减少关联于第一和第二接收链16a、16b的相位不稳定的变化，构成所述第一和第二接收链的元件自身必须是非常稳定的，并且通常是硬的。
为了获得良好的性能水平，这种已知的GEO轨道恢复系统10是复杂的且制造成本高。
此外，已知的GEO轨道恢复系统10涉及将(载波频率或中频上的)无线电频率信号传输至执行数字化的处理装置14。这也造成高成本和托管估计系统的站点上的土木工程问题(缆线的可接受曲率半径、衰减等)。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术解决方案的全部或一些限制，尤其是上文所说明的那些。
为此，根据第一方面，本发明涉及一种用于估计由航天器或飞行器发射的称为“目标信号”的信号相对于接收基站的行程差或到达方向的方法，其中所述接收基站包括第一接收天线和第二接收天线，所述方法包括测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的目标信号相对应的信号之间的称为“有用相位差”的相位差的步骤，和根据有用相位差的测量估计行程差或到达方向的步骤。有用相位差的测量步骤包括使分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的信号与参考目标信号相关，或借助FFT或PLL分析分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的所述信号。
根据特定实现，所述方法包括单独的或所有技术上可能组合的一个或更多个以下特征。
在特定实现中，参考目标信号是在称为“定向天线”的接收天线上接收的信号，该定向天线在飞行器方向中具有大于该接收基站的第一接收天线和第二接收天线的天线增益的天线增益。
在特定实现中，所述方法还包括以下步骤：
-借助于发射天线，将称为“校准信号”的信号发射至接收基站；
-测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的校准信号相对应的信号之间的称为“校准相位差”的相位差；
–根据有用相位差测量而补偿校准相位差测量的变化。
在特定实现中，测量校准相位差的步骤包括使分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的信号与发射的校准信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的所述信号。
在特定实现中，以至少部分重叠各自频带的方式发射校准信号和目标信号。
在特定实现中，校准信号和目标信号同时发射。在特定实现中，连续发射校准信号。
在特定实现中，校准信号基本上是正弦信号或具有由扩频码扩展的频谱的信号。
在特定实现中，分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的信号被异步模拟/数字转换器数字化、经由通信网络被传送至处理装置并且通过与发射的校准信号相关而被所述处理装置重新同步。
根据第二方面，本发明涉及一种系统，其用于估计由航天器或飞行器发射的称为“目标信号”的信号相对于所述系统的接收基站的行程差或到达方向，其中所述接收基站包括第一接收天线和第二接收天线，所述系统还包括适于测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的目标信号相对应的信号之间的称为“有用相位差”的相位差的装置，和适于根据有用相位差的测量来估计行程差的装置。此外，适于测量有用相位差的装置被配置成执行使分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的信号与参考目标信号相关，或借助于FFT或PLL分析分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的所述信号。
根据特定实施方式，所述系统包括单独的或所有技术上可能组合的一个或更多个以下特征。
在特定实施方式中，所述系统包括称为“定向天线”的接收天线，该定向天线在飞行器的方向中具有大于接收基站的第一接收天线和第二接收天线的天线增益的天线增益，并且参考目标信号是与在定向天线上接收的目标信号相对应的信号。
在特定实施方式中，定向天线是地理位置定位系统的天线或遥测/远程控制和测距系统的天线。
在特定实施方式中，接收基站的第一接收天线和第二接收天线是每个都具有宽度等于或大于10°、优选地等于或大于20°的主辐射波瓣的天线。
在特定实施方式中，接收基站的第一接收天线和第二接收天线是喇叭天线。
在特定实施方式中，飞行器是对地静止轨道中的卫星，第一接收天线和第二接收天线被定向成使得对地静止轨道中的几个卫星在其主辐射波瓣中。
在特定实施方式中，所述系统还包括：
适于借助发射天线将称为“校准信号”的信号发射至接收基站的发射器；
适于测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的校准信号相对应的信号之间的称为“校准相位差”的相位差的装置；
适于根据有用相位差测量而补偿校准相位差测量的变化的装置。
在特定实施方式中，适于测量校准相位差的装置被配置成执行使分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的信号与发射的校准信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的所述信号。
在特定实施方式中，发射器的发射天线与第一接收天线和第二接收天线中的至少一个之间的距离小于所述第一接收天线和所述第二接收天线之间的距离。
根据第三方面，本发明涉及一种用于估计由航天器或飞行器发射的称为“目标信号”的信号相对于接收基站的行程差或到达方向的方法，其中该接收基站包括第一接收天线和第二接收天线，所述方法包括测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的目标信号相对应的信号之间的称为“有用相位差”的相位差的步骤，和根据有用相位差的测量估计行程差或到达方向的步骤。所述方法还包括以下步骤：
-借助于发射天线，将称为“校准信号”的信号发射至接收基站；
-测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的校准信号相对应的信号之间的称为“校准相位差”的相位差，相位差的测量包括使所述信号与发射的校准信号相关或借助于FFT或PLL分析所述信号。
–根据有用相位差测量而补偿校准相位差测量的变化。
根据第四方面，本发明涉及一种系统，其用于估计由航天器或飞行器发射的称为“目标信号”的信号相对于所述系统的接收基站的行程差或到达方向的系统，其中该接收基站包括第一接收天线和第二接收天线，所述系统还包括适于测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的目标信号相对应的信号之间的称为“有用相位差”的相位差的装置，和适于根据有用相位差的测量估计行程差的装置。所述系统包括：
-适于借助于发射天线将称为“校准信号”的信号发射至接收基站的发射器；
-适于测量与分别在第一接收天线和第二接收天线上接收的校准信号相对应的信号之间的称为“校准相位差”的相位差的装置，其被配置成执行使所述信号与发射的校准信号相关或借助于FFT或PLL分析所述信号；
-适于根据有用相位差测量而补偿校准相位差测量的变化的装置。
附图说明
参照附图，通过阅读作为非限制性示例给出的以下描述，将更好地理解本发明，其中：
-图1：已经描述，是根据现有技术的对地静止轨道恢复系统的示意图；
-图2：是根据本发明的信号行程差估计系统的示意图；
-图3：示意性示出根据本发明的行程差估计方法的主要步骤；
-图4：是相对于由卫星发射的信号产生很少干扰的校准信号的示意图；
-图5：是根据本发明的行程差估计系统的优选实施方式的示意图；
-图6：是图5的估计系统的变型实施方式的示意图。
在这些附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元素。为了清楚起见，所示的元素不按比例绘制，除非另有规定。
具体实施方式
本发明特别涉及一种用于估计由航天器或飞行器发射的称为“目标信号”的信号所跟随的分别到达所述接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b的两个路径之间的行程差的系统30和方法50。
在下文的描述中，通过干涉法测量执行行程差的估计，参照图1描述的其一般原理是基于与由所述第一和第二接收天线32a、32b接收的目标信号相对应的信号之间的相位差的确定的。
在下文的描述中，以非限制性方式采用的观点是地球轨道中的飞行器的情况，更具体地是对地静止轨道中卫星类型的飞行器的情况，估计系统30例如是对地静止轨道恢复系统的子系统。
根据其他示例，不排除考虑行进轨道、例如低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)中的卫星，或甚至考虑卫星之外的飞行器，尤其是例如导弹、飞机、无人驾驶飞机、气球、直升机、卫星发射装置等的飞行器。
图2示意性地示出了根据本发明的示例性行程差估计系统30。
估计系统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”应当理解成尤其是指在地面上、建筑物的顶部、标塔的顶部、海上平台上等。如图2所示，接收基站的第一和第二接收天线32a、32b例如是抛物面天线。
为了估计由GEO轨道中的卫星20发射的目标信号的行程差，接收基站的第一和第二接收天线32a、32b优选地分开10米至1千米的距离。
估计系统30还包括关联于接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b的处理装置34，处理装置34适于处理由所述第一和第二接收天线接收的信号。
在特定实施方式中，如图2所示，估计系统30包括适于将称为“校准信号”的信号发射至接收基站的发射器。发射器包括基本上位于地球表面上的至少一个发射天线36和校准信号形成装置。在估计系统30的特定实施方式中，发射天线36与第一和第二接收天线32a、32b彼此固定，也就是说它们的相位中心相对于彼此固定。
在图2所示的非限制性示例中，校准信号形成装置是估计系统30的处理装置34。根据其他示例，不排除考虑不同于处理装置34的校准信号形成装置。
处理装置34例如包括至少一个处理器和其中存储有计算机程序产品的至少一个电子存储器，计算机程序产品的形式是被执行以实现根据本发明的行程差估计方法50的不同步骤的一组程序代码。在变型中，处理装置34还包括一个或更多个FPGA、PLD和其他这样类型的可编程逻辑电路，和/或适于实现估计方法50的所有或部分所述步骤的专用集成电路(ASIC)。
换句话说，处理装置34包括由软件(特定计算机程序产品)和/或硬件(FPGA、PLD、ASIC等)配置以实现下文描述的估计方法50的不同步骤的一组装置。
图3示出了用于估计由卫星20发射的目标信号的行程差的方法50的示例性实现的主要步骤。
估计方法50包括以下步骤：
-测量500与目标信号相对应的两个信号之间的称为“有用相位差”的相位差，这两个信号是：由第一接收天线32a接收的第一信号和由第二接收天线32b接收的第二信号；
-根据有用相位差的测量来估计502行程差。
应当指出，当第一接收天线32a和第二接收天线32b之间的距离大于发射目标信号的波长时，有用相位差的测量可以证明是模糊的。
作为示例，对于传统上认为由GEO轨道中的卫星用于通信的大约10GHz量级的频率，波长的量级从几厘米至几十厘米。应当理解的是，通过考虑第一接收天线32a和第二接收天线32b之间的10米至1千米的距离，有用相位差的测量可以证明是模糊的。
可以通过使用本领域技术人员已知的其他装置来消除这种模糊，例如尤其借助于卫星20的轨道的某些参数的先验知识(所述轨道的开普勒参数及其物理特性：气动阻力、太阳辐射压力系数等)。根据非限制性示例，反复执行有用相位差的测量以获得有用相位差的变化的明确测量(通过基于行程差的最大变化速度的预定义知识来确保两个连续测量之间最大行程差变化与小于pi(π)的有用相位差相对应)。有用相位差变化的这种测量可以被用于估计由卫星20发射的目标信号的行程差变化。因此，假设可获得时刻t0的行程差估计(可能由其他装置提供)以及时刻t0与t1之间的行程差变化估计，可以估计时刻t1的行程差。
在图3所示的非限制性示例中，用于估计目标信号的行程差的方法50还包括以下步骤：
-将校准信号发射504至接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b；
-由处理装置34测量506与校准信号相对应的两个信号之间的称为“校准相位差”的相位差，这两个信号是：由第一接收天线32a接收的第一信号和由第二接收天线32b接收的第二信号；
–根据有用相位差测量而补偿508校准相位差测量的变化。
发射器的发射天线36相对于接收基站基本上是不动的，所以应当理解，校准相差变化主要是由于接收链的相位不稳定造成的，所述接收链一方面将第一接收天线32a关联于处理装置34而另一方面将第二接收天线32b关联于所述处理装置。
由所述接收链引起的这些相位不稳定与目标信号的行程差无关。
因此，校准相位差变化构成所述接收链的相位不稳定的估计，并且因此能够被用于根据有用相位差测量而补偿这些相位不稳定。
因此应当理解，由于校准信号的发射和处理，由将第一和第二接收天线32a、32b关联于处理装置34的接收链引起的相位不稳定将能够通过对校准相位差测量和有用相位差测量的适当处理而得到补偿。
因此，与现有技术相比，可以放宽所述接收链上的设计约束。特别地，这些接收链的相位稳定可以小于现有技术解决方案的相位稳定，因为可以借助于校准信号的发射和处理来补偿可能的相位不稳定。
在特定实现中，在校准相位差测量步骤506中，处理装置34通过发射的校准信号而使分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号相关，并且计算校准相位差作为通过相关而获得的信号的相位之差。
在图2所示的情况下，其中处理装置34还执行校准信号的形成，所述发射的校准信号是所述处理装置直接已知的。当校准信号形成装置不同于处理装置34时，校准信号例如针对估计系统30是预定义的，并且参考校准信号被存储在处理装置34的电子存储器中，所述参考校准信号被用于与分别在接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号相关。
“相关”应当理解为是指第一信号与第二信号的复数乘积，所述第二信号是先前共轭的，接着是在滑动窗口上对所述乘积取平均。应当指出，由实际发射的校准信号接收的信号相关导致针对校准相位差测量的信号噪声/干扰比的改善。在实践中，热噪声在滑动窗口期间(例如，校准信号期间)被平均，以使得热噪声的功率减小。此外，对于不同于校准信号的其他信号，例如由干扰发射器在所述校准信号的频带中发射的信号或目标信号，如果这些信号呈现出与发射的校准信号的弱相关，则这些信号的功率也减小。
下文中将由于相关而导致的信号噪声/干扰比的这种改善称为“处理增益”。
应当指出，根据下文未详述的其他示例，不排除执行校准相位差测量而非通过相关。特别地，当校准信号基本上是正弦信号(也称为“连续波”或CW)时，处理装置34能够利用PLL(锁相环)、FFT(快速傅立叶变换)等测量分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号的相位，并且计算所述适当测量的相位之差。
不管所使用的相位差测量方法如何，假设相位差测量实现单独测量的整合，则存在上文中参照相关描述的处理增益。
由于例如通过相关引入的处理增益，与发射的校准信号相对应的在相关之前接收的信号的信号噪声/干扰比将能够较低而不损害校准相位差测量。例如，处理增益可以使得能够补偿低天线增益，例如这是因为在第一和第二接收天线32a、32b的次级辐射波瓣中接收校准信号。因此，借助于处理增益，将放宽相对于接收基站的发射器的发射天线36上的定位约束。
应当指出，在与目标信号的频带相同的频带中或与目标信号的频带相邻的频带中优先发射校准信号。“相邻频带”应当理解为是指所述频带分隔不多于10兆赫兹MHz。
实际上，可能由将第一和第二接收天线32a、32b关联于处理装置34的传输路径引起的相位不稳定可以取决于频率。
通过在目标信号的频带中或相邻频带中发射校准信号，所述校准信号将大致受到与目标信号相同的相位不稳定，以使得校准相位差测量的变化实际上代表影响目标信号的相位不稳定。
然而，在接近用于与卫星20通信的频带的频带中的校准信号的发射将产生干扰。这种干扰不仅在接收基站产生，也在利用相同频带与卫星20或其他卫星进行通信且位于行程差估计系统30的发射器附近的任何地面终端和/或地面站上产生。
由于例如通过相关引入的处理增益，尤其在校准信号与目标信号同时发射时，由发射器发射的校准信号的发射功率将能够减小，这提供了减少干扰的优点。特别地，校准信号随后能够被连续发射，这使得能够执行对关联于第一和第二接收链16a、16b的相位不稳定的变化的连续校准。
在估计系统30的优选实施方式中，发射器的发射天线36也位于接收基站附近。这样的布置使得能够进一步减小校准信号的发射功率，并且因此进一步减小其中可能产生干扰的发射天线36周围区域的大小。例如，发射器的发射天线36与第一接收天线32a和第二接收天线32b中的至少一个之间的距离小于所述第一接收天线32a和所述第二接收天线32b之间的距离。
可以实现不同类型的校准信号，这使得能够测量校准相位差，同时最小化对目标信号引入的干扰，由此估计卫星20分别与接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b之间的路径之间的行程差。
根据第一示例，校准信号是CW信号。这样的校准信号具有易于产生的优点。此外，这样的校准信号易于使用，因为其占据减小的频带，该频带的中心频率能够被选择为非常接近于所考虑的目标信号的频带。
根据另一非限制性示例，校准信号是具有扩频的信号，例如载波频率，该载波频率由预定义的扩频码调制且具有良好的自相关特性，例如PN(伪随机噪声)、Gold等。由于扩频，可以使校准信号的功率谱密度任意低，通过扩频码进行相关所引入的处理增益由于频谱扩展码长度增加而变得更大。
通过由频谱扩展码接收的信号的相关，这样的校准信号还使得能够也确定分别在接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收校准信号的时刻差的变化，和/或在第一和第二接收天线32a、32b与处理装置34之间的接收链上的传播时间差的变化。
在优选的实现中，所述校准信号的频带宽度大于目标信号的频带宽度。
这样的布置还使得能够使分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号重新同步。这在所述接收的信号被例如在所述第一和第二接收天线32a、32b附近的异步模拟/数字转换器数字化的情况下证明是尤其有利的。数字化之后获得的数字信号随后能够经由以太网或其他类型的通信网络被传输至处理装置34。通过与发射的校准信号相关，由处理装置34使数字信号重新同步。
图4示意性地示出了在由卫星20发射的目标信号上产生很少干扰的校准信号的频谱的示例。
应当指出，可以考虑几种类型的目标信号。根据第一示例，目标信号是估计系统30先验已知的预定义信号。在这种情况下，有用相位差测量步骤500例如包括：
-使分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号与预先存储在处理装置34的电子存储器中的参考目标信号相关；或者
-如果目标信号是由卫星20发射的CW信号(例如，为促进基本上在地球表面上的天线指向所述卫星的方向而发射的CW信号，遥测信号的载波残留等)：借助于FFT、PLL等分析分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号。
根据另一示例，目标信号是非先验已知的信号，例如有效载荷信号(也就是说，通常在频移之后，且可能地在所述卫星上接收的数据的重新生成之后，与由卫星20从地面终端和/或地面站接收且被所述卫星重新发射向地球的数据相对应的信号)。
图4示意性地示出了由卫星20发射的信号的几个频谱：
-遥测信号的频谱BTM；
-比频谱BTM更宽的三个频谱B1、B2和B3，所述频谱B1、B2和B3中的每个频谱对应于卫星20的有效载荷信号。
由卫星20发射的目标信号的频谱可以是频谱B1、B2、B3和BTM中的任一个。
图4还示出了热噪声的频谱，在所示的例子中，热噪声的功率谱密度对于所有频率相同，都等于指定值N0。频谱B1、B2、B3和BTM都具有比N0更大的最大功率谱密度。
在图4中，示出了可能用于校准信号的频谱的三个示例。
根据第一示例，校准信号基本上是频谱S1的正弦信号。频谱S1具有比N0更大的最大功率谱密度，位于频谱B1和B2之间，并且不与频谱B1、B2、B3和BTM中任一频谱有任何重叠。
根据第二示例，校准信号是具有频谱S2的扩展频谱的信号。频谱S2与频谱BTM重叠，但是频谱S2的最大功率谱密度小于N0。频谱S2与频谱B1、B2和B3没有任何重叠。
根据第三示例，校准信号是具有频谱S3的扩展频谱的信号。频谱S3的最大功率谱密度小于N0，并且与频谱B1、B2、B3和BTM都没有任何重叠。
在实践中，为了提取包括在所述有效载荷信号中的先验已知数据，有效载荷信号的接收需要使用高增益接收天线，并且因而需要使用指向试图从其接收所述有效载荷信号的卫星的高度定向的接收天线。实际上，GEO轨道中的卫星位于离地球约36000千米距离处，以使得有必要具有所述卫星方向中的高天线增益以允许提取包括在所述有效载荷信号中的数据。
应当指出，如果第一和第二接收天线32a、32b只用于根据由卫星20发射的目标信号估计行程差，则天线不一定必须被调整大小以允许提取包括在所述有效载荷信号中的数据。
实际上，如先前讨论的，目标信号可以是估计系统30已知的预定义信号，以使得处理增益将能够被引入有用相位差测量中。
由于该处理增益，第一和第二接收天线32a、32b的天线增益可以减小，以使得能够使用具有低方向性的接收天线来估计行程差。在GEO轨道中的卫星的情况下，当接收天线具有宽度等于或大于10°的主辐射波瓣时，接收天线可以被认为不是十分方向性的。在估计系统30的优选实施方式中，接收基站的第一接收天线32a和第二接收天线32b是每个都具有宽度等于或大于20°甚至等于或大于30°的主辐射波瓣的天线。
例如，第一和第二接收天线32a、32b是喇叭天线。根据另一示例，第一和第二接收天线是全向天线。
使用具有低方向性的第一和第二接收天线32a、32b，例如喇叭天线，使得能够降低制造估计系统30的成本。
此外，由于天线不是十分方向性的，这样的第一和第二接收天线可以被定向成使得GEO轨道中的几个卫星在天线的主辐射波瓣中。可以在不必改变所述第一和第二接收天线32a、32b的定向的情况下实现这样的估计系统30，从而估计几个卫星的行程差。因此，这样的估计系统30既不昂贵也能够恢复几个GEO卫星的GEO轨道，而不必使第一和第二接收天线重新对准且可能同时地重新对准试图恢复其GEO轨道的不同GEO卫星。
图5示出了用于估计由卫星20发射的目标信号的行程差的系统30的优选实施方式。
在该示例中，估计系统30包括三个接收天线：第一接收天线32a、第二接收天线32b和第三接收天线32c。
第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c是喇叭天线。
第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c被布置在至少两个接收基站中：
-由第一和第二接收天线32a、32b形成的第一接收基站；
-由第一和第三接收天线32a、32c形成的第二接收基站。
因此，可以估计由卫星20发射的目标信号相对于第一和第二接收基站中的每个基站的行程差。根据其他示例，不排除考虑由第二和第三接收天线32b、32c构成的第三接收基站。
在图5所示的示例中，估计系统30包括不同于接收天线32a、32b、32c的、用于发射校准信号的发射天线36。根据图中未示出的其他示例，不排除使用所述接收天线中的一个以用于发射所述校准信号。例如，发射天线可选地是第三接收天线32c或第二接收天线32b。因此，当估计相对于第一接收基站的第一和第二接收天线32a、32b的行程差时，第三接收天线32c被用于发射校准信号。当估计相对于第二接收基站的第一和第三接收天线32a、32c的行程差时，第二接收天线32b被用于发射校准信号。
然而，应当指出，所考虑的频率越高，将发射天线36定位在接收天线32a、32b、32c的前半平面就越重要。因此，如果信号噪声/干扰比较高，则能够考虑例如在VHF、UHF甚至L或S频带中使用接收天线32a、32b、32c中的一个以将校准信号发射至其他两个接收天线。对于C、X、Ku、Ka、Q、V等频带，优先考虑不同于接收天线32a、32b、32c的、定位于所述接收天线的前半平面中的发射天线36。
图6示出了图5的估计系统30的变型实施方式。
在图6中，估计系统30还包括基本上在地球表面上的称为“定向天线”38的附加接收天线，定向天线38在卫星20的方向中具有比所述卫星方向中的第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c的天线增益更大的天线增益。定向天线38例如是抛物面天线。
图6的估计系统30特别适于根据有效载荷信号类型的目标信号估计行程差，即包括估计系统30非先验已知的数据的信号。然而，可以实现图6的估计系统30以根据任何类型的目标信号估计行程差，包括估计系统30已知的预定义信号。
由于定向天线38的天线增益大于第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c的天线增益，因此与由定向天线38接收的目标信号相对应的信号具有比第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c更好的信号噪声/干扰比。通常，与由定向天线38接收的目标信号相对应的信号的信号噪声/干扰比是正的(用分贝表示)。
因此，与定向天线38上接收的目标信号相对应的信号被有利地用作参考目标信号。有用相位差测量步骤500优选地包括使分别在第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c上接收的信号与在定向天线38上接收的用作参考目标信号的信号相关。
因此，尽管第一、第二和第三接收天线32a、32b、32c是喇叭天线，其具有通常认为不足以接收卫星通信的天线增益，然而这不损害行程差的估计，因为借助于与由定向天线38接收的信号的相关而引入了处理增益。
为了达到该目的，单个定向天线38是必须的，其小于需要至少两个这种定向天线的现有技术估计系统。
此外，在估计系统30和任何其他接收系统之间可以共享定向天线38。例如，定向天线38是卫星电信发射器的地理定位系统的地面站的天线，或者是遥测/远程控制和测距系统的天线。换句话说，估计系统30可以只包括具有低方向性的天线，例如喇叭天线，并且关联于包括一个或更多个定向天线的任何其他接收系统，以使用由所述其他接收系统的所述定向天线接收的信号。因此，估计系统30受益于其他接收系统以允许估计喇叭天线型的接收天线不能充分看见的目标信号的行程差。
有利地，其他接收系统也受益于该共享。在遥测/远程控制和测距系统的情况下，目的之一是精确地执行针对一个或更多个卫星的轨道恢复，对来自这些卫星的目标信号的行程差的估计使得能够改进所述卫星的轨道恢复。在卫星电信发射器的地理定位系统的情况下，对来自用于地理定位的卫星的目标信号的行程差的估计允许所述卫星的轨道恢复，即对于所述卫星电信发射器的地理定位所必需的所述卫星的轨道恢复。
更一般地，本发明的范围不限于上面以非限制性示例方式描述的实现和实施方式，而是扩展至本领域技术人员范围内的所有修改。
例如，先前认为发射天线36以及第一和第二接收天线32a、32b的相位中心相对于彼此是固定的。这样的布置使得能够认为校准相位差的变化主要是由于接收链的相位不稳定，其中该接收链一方面将第一接收天线32a关联于处理装置34而另一方面将第二接收天线32b关联于所述处理装置。
当发射天线36以及第一和第二接收天线32a、32b的相位中心相对于彼此不再固定时，所述相位中心的相对位置修改导致相位变化，该相位变化增加了接收链的相位不稳定并且不同地影响有用相位差和校准相位差。这可以尤其发生在以下情况中：第一和第二接收天线32a、32b被安装成可移动的以跟随地心轨道中的卫星的移动运动；所述第一和第二接收天线32a、32b上的风对所述相位中心的相对位置造成微不足道的修改，等等。这样的相位变化仍可以通过其他手段来补偿。
根据非限制性示例，预先建立校准表，该校准表使校准相位差与发射天线36以及第一和第二接收天线32a、32b的所述相位中心的相对位置的不同集合相关联。然后，确定所述相位中心的相对位置的变化，并且校准表使得能够确定由所述相位中心的所述相对位置的变化引起的校准相位差变化。由估计系统30的几何变化引起的该校准相位差变化随后能够在校准相为差测量上得到补偿。在该补偿之后，校准相位差测量的残余变化可以被看成是主要由接收链的相位不稳定引起的，其中该接收链一方面将第一接收天线32a关联于处理装置34而另一方面将第二接收天线32b关联于所述处理装置。
为了确定所述相位中心的相对位置的变化，发射天线36以及第一和第二接收天线32a、32b例如配备有本领域技术人员已知的针对其相位中心的位置传感器。可选地，被看作是固定有或配备有这种位置传感器的几个发射天线36被用于通过三角测量来确定第一和第二接收天线32a、32b的相位中心的位置。
由估计系统30的几何变化引起的有用相位差变化对于本发明而言不是特定的，并且可以通过本领域技术人员已知的任何手段来补偿。
更一般地，还应当理解，本发明不限于特定数量的接收天线，而是扩展至任何数量Nb(Nb≥2)的接收天线。
此外，仅涉及有用相位差测量的特征可以被认为所与校准无关的。这尤其是针对如下特征的情况：根据该特征，有用相位差测量包括使分别在第一接收天线32a和第二接收天线32b上接收的信号与参考目标信号相关，或者借助于FFT、PLL分析所述信号。
此外，已经通过考虑行程差的估计而描述了本发明，该行程差又能够被进一步用于估计目标信号的到达方向。然而，应当理解，本发明适用于对目标信号相对于接收基站的到达方向的任何估计，这不包括行程差的估计，但仍使用有用相位差测量。根据非限制性示例，能够借助于MUSIC型算法来估计目标信号的到达方向(例如参见"Multiple Emitter Locationand Signal Parameter Estimation",R.O.Schmidt,IEEE Transactions onAntennas and Propagation,第34卷、第3期,1986年3月)，借助于校准相位差测量来如上所述地测量和/或补偿有用相位差。
上面的描述通过其不同特征和优点明确地说明了本发明实现了设定的目的。
特别地，应当理解，估计系统30是简单的且制造成本低廉的，这是因为借助于校准信号的发射和处理而大大放宽了对接收链的约束。此外，由于系统30的接收天线可以针对行程差估计而被调整大小，因此接收天线不必是高度定向的并且能够例如是方向性较低且比现有技术估计系统中使用的接收天线更小的喇叭天线。此外，根据本发明的估计系统30能够有利地关联于其他接收系统，例如卫星电信发射器的地理定位系统或遥测/远程控制和测距系统，从而实现或促进行程差的估计并且相应地有助于被所述系统作为目标的卫星的轨道的知识。

Claims (16)

1.一种用于估计由航天器或飞行器(20)发射的信号即“目标信号”所跟随的、分别到达接收基站的第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)的两个路径之间的行程差的方法(50)，所述方法包括测量与分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的目标信号相对应的信号之间的相位差即“有用相位差”的步骤(500)，以及根据所述有用相位差的测量来估计所述行程差的步骤(502)，其特征在于，测量有用相位差的步骤(500)包括使分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的信号与参考目标信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的所述信号，并且所述方法(50)还包括以下步骤：
-借助于发射天线(36)，将信号即“校准信号”发射(504)至所述接收基站；
-测量(506)与分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的校准信号相对应的信号之间的相位差即“校准相位差”；
-根据所述有用相位差的测量而补偿(508)所述校准相位差的测量的变化。
2.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述参考目标信号是在接收天线即“定向天线”(38)上接收的信号，所述定向天线(38)在所述飞行器的方向中具有大于所述接收基站的所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)的天线增益的天线增益。
3.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，测量校准相位差的步骤(506)包括使分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的信号与所发射的校准信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的所述信号。
4.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，以至少部分重叠各自频带的方式发射所述校准信号和所述目标信号。
5.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述校准信号是与所述目标信号同时发射的。
6.如权利要求5所述的方法(50)，其特征在于，连续发射所述校准信号。
7.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，所述校准信号是正弦信号或具有由扩频码扩展的频谱的信号。
8.如权利要求1所述的方法(50)，其特征在于，分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的信号被异步模拟/数字转换器数字化、经由通信网络被传输至处理装置(34)并且通过与所发射的校准信号相关而被所述处理装置重新同步。
9.一种用于估计由航天器或飞行器(20)发射的信号即“目标信号”所跟随的、分别到达系统的接收基站的第一接收天线(32a)和第二接收天线(32b)的两个路径之间的行程差的系统，所述系统还包括适于测量与分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的目标信号相对应的信号之间的相位差即“有用相位差”的装置，以及适于根据所述有用相位差的测量来估计所述行程差的装置，其特征在于，适于测量所述有用相位差的装置被配置成执行使分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的信号与参考目标信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的所述信号，并且所述系统(30)还包括：
-适于借助于发射天线(36)将信号即“校准信号”发射至所述接收基站的发射器；
-适于测量与分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的校准信号相对应的信号之间的相位差即“校准相位差”的装置；
-适于根据所述有用相位差的测量而补偿所述校准相位差的测量的变化的装置。
10.如权利要求9所述的系统(30)，其特征在于，其包括接收天线即“定向天线”(38)，该定向天线(38)在所述飞行器的方向中具有大于所述接收基站的所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)的天线增益的天线增益，并且所述参考目标信号是与在所述定向天线(38)上接收的目标信号相对应的信号。
11.如权利要求10所述的系统(30)，其特征在于，所述定向天线是地理定位系统的天线或遥测/远程控制和测距系统的天线。
12.如权利要求9所述的系统(30)，其特征在于，所述接收基站的所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)是每个都具有宽度等于或大于20°的主辐射波瓣的天线。
13.如权利要求12所述的系统(30)，其特征在于，所述接收基站的所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)是喇叭天线。
14.如权利要求12所述的系统(30)，其特征在于，所述飞行器(20)是对地静止轨道中的卫星，所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)被定向成使得所述对地静止轨道中的几个卫星在其主辐射波瓣中。
15.如权利要求9所述的系统(30)，其特征在于，适于测量所述校准相位差的装置被配置成执行使分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的信号与所发射的校准信号相关，或者借助于FFT或PLL分析分别在所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)上接收的所述信号。
16.如权利要求9所述的系统(30)，其特征在于，所述发射器的发射天线(36)与所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)中的至少一个之间的距离小于所述第一接收天线(32a)和所述第二接收天线(32b)之间的距离。
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