CN109154666A - 近地轨道卫星通信系统中的位置估计 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于估计地面站处的或卫星中的卫星通信中的终端的位置的方法。所述方法使用从终端发送到卫星的信号的时间延迟、多普勒和/或多普勒速率的估计、连同卫星位置的估计。所述方法既可以与同步的终端一起使用，又可以与不同步的终端一起使用，只要这些不同步的终端具有稳定的时间或频率参考，并且所述方法也可以与具有和不具有星上全球位置和时序参考的近地轨道卫星一起使用。另外，所述方法还可以使用由卫星或终端接收的信标信号的时间延迟、多普勒或多普勒速率的估计。这些信标信号可以包括GPS L1信号。与标准的GPS接收器相反，所述方法不需要终端存储GPS星历表数据或连续地操作。

Description

近地轨道卫星通信系统中的位置估计
优先权文件：
本申请要求2016年5月20日提交的标题为“Position Estimation in a LowEarth Orbit Satellite Communications System(近地轨道卫星通信系统中的位置估计)”的澳大利亚临时专利申请No.2016901913的优先权，该申请的内容特此全部通过引用并入。
技术领域
本公开涉及卫星通信系统中的基于地面的收发器的位置的估计。以具体的形式来说，本公开涉及其中远离终端执行估计的系统。
背景技术
本申请是针对由基于地面的收发器(其被称为终端10)组成的卫星通信系统1，这些收发器使用无线电信号将数据12发送到一个或多个近地轨道绕行卫星20。这些卫星发送信号22以将终端的无线电信号转播给地面站30，在地面站30中，接收的信号22被解码并且被递送到目的地。
在某些感兴趣的应用中，期望在地面站30处获得终端10的地点(例如，纬度、经度和海拔)的估计。示例应用包括远程资产、可能还有移动资产的跟踪，诸如家畜、工业机械、装运容器、调色板(palette)和环境传感器。这些是其中资源或传感器本身不需要知道它自己的位置的应用。相反，中央管理系统希望确定所有资产/传感器的地点。这样的应用可以与其中终端本身需要它自己的地点的估计的导航应用形成对比。
在这样的系统中，通常期望使终端成本、复杂性和电力需求保持尽可能地低以使得可以广泛地和扩大地使用。虽然终端10可以装有可以用于将它们的地点发送到地面站30(经由LEO卫星20)的GPS接收器，但是增加GPS模块/接收器既增加成本，又增加电力需求。GPS模块需要大量计算资源来估计位置，并且另外GPS模块必须具有最新的卫星星历表数据。这通常需要GPS模块周期性地唤醒并且采集最新的GPS历书。在冷启动中，GPS接收器要花费12分钟来下载整个历书，这对终端的电力需求造成极大的负担。
辅助GPS系统可以用于通过将最近的历书信息发送到终端和/或通过允许终端对GPS信号进行采样并且将采样发送到更有能力的处理装置来减小终端上的计算负担或电力需求。然而，这需要终端能够建立具有足以通过终端和更有能力的处理装置之间的通信信道发送采样的能力的通信链路。在具有如上面讨论的远程终端10的应用中，该需求可能给终端10增加显著的成本和电力需求。
因此需要提供一种用于远程估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的、避免在终端中需要GPS模块的系统和方法，或者至少提供现有系统和方法的有用替代。
发明内容
根据第一方面，提供了一种用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的方法，所述方法包括：
在远离终端的地点处从与从终端到卫星的发送相关的信息估计所述发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个，其中与所述发送相关的信息至少包括卫星接收的信号、或卫星接收的信号的一个或多个数字采样；
接收在所述发送时所述卫星的位置的估计；并且
使用卫星的位置的估计连同时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率(延迟、多普勒或多普勒速率)的估计中的至少一个来估计终端位置。
在一种形式中，所述信息是经由从卫星到地面站的一个或多个发送接收的，从与终端和卫星之间的发送相关的信息估计延迟、多普勒或多普勒速率中的一个或多个是由操作地连接到地面站的通信接收器执行的，延迟、多普勒或多普勒速率是在由通信接收器进行解码处理以恢复所述发送中的用户数据的估计期间估计的。所述信息可以是发送到地面站的发送信号的一个或多个数字采样，或者所述信息可以是重发到地面站的卫星(即，弯管式卫星)接收的重发的模拟信号。
在一种形式中，与终端和卫星之间的发送相关的信息进一步包括相对于星上时间或频率参考的、所述发送被卫星接收到的时间戳，和/或相对于时间或频率参考的、所述发送被终端发送的时间戳。在一种形式中，与终端和卫星之间的发送相关的信息进一步包括终端基于对照终端时间或频率参考确定的预定发送时间表估计的发送时间。
在一种形式中，终端将发送序列发送到卫星，卫星将与发送序列相关的信息发送到地面站，从接收的信息估计延迟、多普勒或多普勒速率中的一个或多个是针对发送序列中的每个发送执行的，对终端位置的估计使用卫星在每个发送时的位置的估计以及对于发送序列中的每个发送的估计中的每个。
在一种形式中，对终端位置的估计是对发送序列中的发送之间的估计间差异区别地执行的。这可以在星上时间或频率参考与任何全球时间或频率参考不同步和/或卫星不包括星上位置参考和/或终端与任何全球时间或频率参考不同步的情况下执行。
在一种形式中，终端包括稳定时钟，并且与任何全球时间或频率参考不同步，估计终端位置进一步包括估计相对于全球时间或频率参考的终端偏移。
在一种形式中，卫星不包括星上位置参考，并且终端位置的估计进一步包括估计卫星位置。
在一种形式中，所述方法进一步包括：
在卫星处从陆地的或基于空间的源接收一个或多个信标信号，所述信标信号包括相对于参考的信标位置和全球时序，卫星将所述信号的采样转发给地面站，并且对终端的地点的估计进一步包括对每个信标信号估计信标延迟、信标多普勒或信标多普勒速率中的至少一个。该估计可以用于改进卫星位置、因此终端位置的估计。
在一种形式中，所述方法进一步包括：
在终端处从陆地的或基于空间的源接收一个或多个信标信号，所述信标信号包括相对于参考的信标位置和全球时序，终端对每个信标信号估计信标多普勒或信标多普勒速率中的一个或多个，并且将估计包括在到卫星的一个或多个发送中，对终端的地点的估计进一步包括对于每个信标信号估计信标延迟、信标多普勒或信标多普勒速率中的至少一个。
在一种形式中，位置估计是通过基于终端在时间t的位置矢量的假设、对卫星的时变位置矢量使用非线性优化处理来执行的。
在进一步的形式中，所述方法进一步包括估计卫星的占用空间，并且将终端的位置矢量约束在该占用空间内。
在一种形式中，终端被配置为：接收GPS L1信号，执行C/A代码的“相位”(延迟)和多普勒频率的粗略估计，并且将一个或多个发送中的C/A代码和多普勒频率的估计提供给卫星，估计终端位置的步骤进一步包括接收GPS历书并且使用接收的对于C/A代码和多普勒频率的估计来估计终端的位置。
在进一步的形式中，终端通过以下步骤来获得C/A代码和多普勒频率的估计：
接收信号并且将所述信号向下转换为复基带信号；
对复基带信号进行采样以生成W个复采样的序列；
执行所述W个复采样的串并转换，并且并行地将所述W个复采样乘以M个复正弦曲线以生成每个长度为N的M个采样序列，其中所用的M个正弦曲线的频率被选为覆盖多普勒频率的预期范围；
对所述M个采样序列中的每个执行零填充离散傅里叶变换以为每个块生成N个复频域采样的矢量；
将所述M个矢量提供给每个每代码相位估计器模块，所述每代码相位估计器模块将矢量中的每个逐个元素地乘以长度为N的矢量，所述长度为N的矢量是相应的C/A代码的N点零填充离散傅里叶变换，并且输出与乘法之后的最大幅值元素相对应的相关联的代码延迟和多普勒频率。
根据第二方面，提供了一种包括在地面站中或操作地连接到地面站以用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的通信接收器，所述通信接收器包括：
解码器，所述解码器被配置为从与地面站从卫星接收的发送相关的信息估计从终端到卫星的发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个，其中与所述发送相关的信息至少包括卫星接收的信号、或卫星接收的信号的一个或多个数字采样；
接口，所述接口用于接收在发送时所述卫星的位置的估计；以及
位置估计模块，所述位置估计模块包括处理器，所述处理器被配置为使用卫星的位置的估计连同延迟、多普勒或多普勒速率的估计中的至少一个来估计终端位置。
在进一步的形式中，通信接收器可以被进一步配置为执行第一方面的方法的进一步的形式。还可以提供被配置为执行第一方面的方法的通信系统和终端。所述方法也可以在配置执行第一方面的方法的处理的处理器可读介质中提供。
附图说明
将参照附图来讨论本公开的实施例，其中：
图1是根据实施例的近地轨道卫星通信系统的示意图；
图2是根据实施例的用于从多普勒和延迟估计进行位置估计的系统的示意性表示；
图3是根据实施例的用于混合分布式位置确定的模块的示意性表示；
图4是根据实施例的粗略C/A代码相位/多普勒估计模块的示意性表示；以及
图5是根据实施例的用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的方法的流程图。
在以下描述中，相似的引用符号在附图中始终指定相似的或对应的部分。
具体实施方式
图1是根据实施例的近地轨道卫星通信系统的示意图，该示意图例示说明普遍的系统组件和信号路径。卫星通信系统1包括基于地面的收发器(其被称为终端10)，这些收发器使用无线电信号将数据12发送到一个或多个近地轨道绕行卫星20。这些卫星发送信号22以将终端的无线电信号转播给地面站30，在地面站30中，接收的信号22被解码并且被递送到目的地。图2是该系统的更详细的示意性表示，该表示示出用于执行如本文所描述的从多普勒和延迟估计进行位置估计的各种模块。
所述系统和方法的实施例从测量获得地点估计，这些测量是从由近地轨道绕行(LEO)卫星20观察到的、终端的发送信号12的飞行时间(从终端到卫星的发送路径长度)、相对多普勒频率(路径长度的一阶导数)和多普勒频率变化速率(路径长度的二阶导数)推导出的。飞行时间是信号的发送和接收之间的时间延迟，因此将被称为延迟(或时间延迟)。类似地，相对的多普勒频率和多普勒频率变化速度将被称为多普勒和多普勒速率。所述方法的实施例可以可选地使用这样的测量的序列，在这种情况下，这些测量不需要是相对于绝对时间或频率参考的，而是可以是相对于特定的被选参考(例如，第一测量的时间和频率)的差分。
与终端和卫星之间的(或来自终端和卫星的)发送相关的信息可以是然后发送到地面站的发送信号(在卫星处接收)的一个或多个数字采样，或者该信息可以是重发到地面站的卫星(即，弯管式卫星)接收的重发的模拟信号。该信息(或信号或采样)然后被提供给通信接收器，该通信接收器执行估计处理(在下面详细描述)，该估计处理包括延迟、多普勒和/或多普勒速率的估计。
与终端和卫星之间的发送相关的信息还可以包括相对于星上时间或频率参考的、发送被卫星接收到的时间戳。如下面将讨论的，该时间或频率参考可以与全球参考同步，或者可以是不同步但是稳定的时间或频率参考。类似地，所述信息可以包括相对于终端中的时间或频率参考的、发送被终端发送的时间戳(也就是说，终端在发送时添加该时间戳)。再次，这可以与全球参考同步，或者它可以是不同步的。在一个实施例中，终端不对其发送添加时间戳，而是基于对照终端时间或频率参考确定的预定发送时间表进行发送。例如，这可以是每一秒或某个其他的固定的时间间隔(例如，100ms、250ms、500ms、2s、5s)。在这种情况下，终端时间表将被地面站处的位置估计模块所知道。时间戳信息可以被嵌入在发送中，并且一旦发送被解码和恢复，就变得可用，或者它可以作为从卫星到地面站的附加发送或附带发送提供。在本说明书的上下文中，与终端和卫星之间的发送相关的信息包括信号或信号的采样(一个或多个)以及可从信号或采样恢复的或与信号一起发送的任何元数据。
地面站30(或与地面站30通信的站点)处的位置估计器40通过将在地面站30处计算的终端的延迟/多普勒/多普勒速率的估计与对于终端地点的特定假设预期的对应假设量进行比较来工作。在知道其准确估计可供地面站使用的卫星的位置20(要么可从另一源获得，要么可基于可用的/可获得的数据估计)的情况下，这些量可以被确定。地点估计是估计的量和假设的量之间的总误差最小的假设。通常，延迟、多普勒和多普勒速率的估计还将包括这些量中的误差的估计。该误差(或不确定性)也可以被传递给位置估计器，并且被用于位置估计处理中，诸如通过基于误差适当地对估计进行加权。虽然延迟、多普勒或多普勒速率中只有一个是必需的，但是如果两个或所有三个值的估计被提供，则性能通常将得到改进。
更一般地说，将意识到，延迟、多普勒或多普勒速率的估计可以在卫星处执行。此外，整个方法可以在卫星处执行(延迟、多普勒或多普勒速率的估计、然后使用该信息的位置估计)，只要它具有足够的计算资源和电力资源。这导致图5中例示说明的一般方法，该方法是根据实施例的用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的方法的流程图500。该方法包括：
在步骤510，在远离终端的地点处从与从终端到卫星的发送相关的信息估计所述发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个；
在步骤520，接收卫星在所述发送时的位置的估计；并且
在步骤530，使用卫星的位置的估计以及时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计中的至少一个来估计终端位置。与所述发送相关的信息至少包括卫星接收的信号、或卫星接收的信号的一个或多个数字采样，并且可以包括进一步的信息，诸如发送或接收时间戳或估计的发送时间。该方法因此可以在卫星中执行、在卫星和地面站处的位置估计模块之间联合执行、仅在地面站中执行(即，地面站包括执行延迟/多普勒/多普勒速率的估计的通信接收器和位置估计器)、或者在提供延迟、多普勒或多普勒速率的估计的地面站(其包括通信接收器)和远离地面站、但是操作地连接到地面站(例如，通过通信链路)的位置估计模块之间执行。
所述方法的实施例可以另外可选地适时地利用终端接收的其他信标信号50。这些信标信号50可以是来自信标卫星51的信标信号52、来自全球定位系统(GPS)卫星53的GPSL1信号54、或来自陆地信标55的信标信号56。我们应将所有的这样的信号50都称为“信标”。为使这样的信标信号50有用，需要：
信号的源的地点是已知的，或者可以在地面站处、而不一定是在终端处被估计；并且
终端可以估计以下中的一个或多个：来自所接收信号的延迟、多普勒或多普勒变化速率。
在这种情况下，终端10对一个信标信号(或多个信标信号)计算或以其他方式估计延迟/多普勒/多普勒速率估计中的一个或多个，然后将这样的信标信号50的估计(一个或多个)作为其数据发送12的一部分发送到近地轨道卫星20。位置估计器然后将终端计算的估计与它们的对应的假设值进行比较以改善终端位置估计。下面在第2节中更详细地描述该处理。
在一些情况下，近地轨道卫星的地点在地面站处可能不是事先精确地知道的。在这样的情况下，陆地信标可以可选地用于改进地面站对卫星位置的估计。在这种情况下，近地轨道卫星另外还对陆地信标信号进行采样，并且将这些采样转播给地面站。地面站然后可以使用这些信号的延迟/多普勒/多普勒速率的估计来估计卫星的位置或改进其对于卫星的位置的估计。陆地信标可以是具有受信任的已知地点的终端的一般集群的特殊实例(例如，它们可以配备有标准的GPS模块，它们从这些GPS模块推导它们的精确位置，并且将它发送到地面站)。可替代地，信标可以是从已知地点发送的机会的信号(例如，陆地无线电或电视广播)。
所提出的定位方法对于远程跟踪应用具有若干优点：
1.它在终端处不需要GPS模块。这使得终端构建成本降低，并且将使用少得多的电力，这导致蓄电池寿命更长。
2.它不要求终端获悉GPS卫星、信标卫星或陆地信标的位置。例如，在冷启动模式下，GPS接收器12要花费12分钟来下载整个历书。本文所描述的方法的实施例避免了该处理。
3.所述方法主要是在地面站处实现的，在地面站中，更大的计算资源是可用的，电力使用不太重要，并且关于GPS和其他卫星的星历表数据是可用的(例如经由与互联网数据库的直接连接)。
本文所描述的方法既适用于不同步的终端，又适用于同步的终端：
不同步的：终端与任何全球时间或频率参考都不同步。然而，它具有它自己的足够稳定的时钟，它可以从该时钟推导它自己的本地时间和频率参考。这意味着终端的时间和频率不会在分组之间漂移太多；以及
时间和/或频率同步的：终端具有与全球参考准确地同步的稳定的时间和/或频率参考。
本文所描述的方法还独立地适用于具有和不具有星上全球位置和时序参考的近地轨道卫星：
知悉位置：近地轨道卫星具有它在空间中的位置的精确获悉和精确的全球时序参考(例如，从星上GPS有效载荷获得)。
不知悉位置：近地轨道卫星不具有星上位置参考。它另外还没有准确的全球时序参考。
2.0位置估计
2.1详细的系统模型
图2是根据实施例的用于从多普勒和延迟估计进行位置估计的系统2的详细示意性表示。该系统包括远程用户终端10，远程用户终端10经由近地轨道中的卫星有效载荷24将包含用户数据的数据分组序列12发送到地面站30。
在时间t，终端和卫星之间的距离d(t)为：
d(t)＝||xt(t)–xs(t)|| 方程1
其中xt(t)和xs(t)分别是终端和卫星在时间t的位置。这些位置可以例如用地心惯性(ECI)坐标来表达，||·||是标准的欧几里得距离测度。然而，其他类似的坐标系也可以被使用。
参照图2，终端10接收用户数据112(例如来自与终端(未示出)集成或连接到终端的传感器模块)和/或标识数据114(诸如唯一终端标识符号)，其可以被存储在存储器中。分组格式化模块110接收用户数据112和标识数据114，并且产生消息比特116。发送器IQ波形产生器120接收消息比特116和时隙时序信息122以产生发送器IQ采样124。数模(DAC)转换器130将模拟信号提供给RF收发器前端140，RF收发器前端140经由天线142发送信号12。RF收发器前端140可以是宽带收发器前端。
近地轨道卫星20包括卫星有效载荷24，卫星有效载荷24具有RF前端25，RF前端25接收从终端10发送的信号12。发送12的飞行时间τ(t)为：
τ(t)＝d(t)/c 方程2
其中c是光速。相对速率为：
该方程直接给出多普勒频率，ω(t)为：
其中ωc是发送的中心频率。类似地，我们可以将多普勒速率定义为：
如下面将阐述的，并且取决于缩放常数，感兴趣的基础量为d(t)以及其一阶和二阶时间导数：d’(t)和d”(t)。坐标的选择是任意的。下面，我们将提到延迟、多普勒和多普勒速率，但是使用距离、速率和加速度或这些量的任何其他的可逆变换，所述方法将同样地工作。因此，在本说明书的上下文中，所称延迟、多普勒和多普勒速率包含从这些量的可逆变换获得的等同量。
终端发送的分组序列将以j为索引。不失一般性地，我们将假定j＝0,1,…,J-1，其中J是终端在卫星通过期间发送的分组的数量。卫星有效载荷24经由RF前端25(使用宽得足以捕捉终端发送的带宽，这考虑到多普勒移位)和模数(ADC)转换器26对相关的射频带进行采样，ADC转换器26将频谱采样27提供给下行链路收发器28以用于发送到地面站30。在该实施例中，与终端和卫星之间的发送相关的信息至少包括这些采样。该信息可以另外还包括任何其他的元数据，诸如可以被添加到或被单独地发送到地面站的时间戳。
如果卫星可以访问精确的全球时间参考(例如从全球定位系统获得)，则它对这些数字化采样27加上时间戳，并且下行链路收发器28使用数字通信链路22来将它们转播给地面站30，数字通信链路22可以在不同的频率上并且为不同的带宽。地面站30将这些数字采样转发给通信接收器32进行处理。通信接收器32与地面站30可以是位于一处的或者可以不是位于一处的。在其他实施例中，可以将终端信号12转播给地面站30的其他卫星有效载荷配置可以被使用。注意，如果地面站在卫星20的视场内，则卫星可以实时地转播信号12，或者存储接收的信号12并在当地面站在卫星20的视场内时的稍后的时间转发接收的信号12。
通信接收器32从接收的频谱采样解码终端分组序列。解码处理的主要目标是获得或恢复用户数据112的估计。作为对于分组j的解码处理的一部分，通信接收器还生成多普勒移位ω0j、多普勒速率v0j和延迟τ0j的相关联的估计34。这些估计34全都与精确的稳定的时间参考相关，该时间参考可以是卫星、地面站或位置处理器可用的同一个参考，或者可以不是同一个参考(这将在下面阐述)。
下标0用于标识由近地轨道卫星进行的这些估计34，并且该下标稍后将用于区分与其他卫星相关的量(即，这稍后将对可用的信标卫星和/或陆地信标的列表进行索引(index))。
估计序列{ω0j,v0j,τ0j},j＝0,1,…,J-1(其被标记为34)被转发给位置估计模块40，位置估计模块40与通信接收器32可以是位于一处的或者可以不是位于一处的。注意，在本说明书的上下文中，术语模块包含诸如以下的硬件：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、或被配置为实现上述方法的现场可编程门阵列(FPGA)、或处理器板，该处理器板具有处理器和相关联的存储实现上述方法的可执行指令的存储器(板上或操作地链接)连同其他支持组件(电源供应器、数据总线、通信板或芯片等)。术语模块和处理器将互换地使用，在这种情况下，处理器应被广泛地解释为处理器单元和相关联的硬件和软件。
位置估计处理器40具有与近地轨道卫星有关的可用的星历表数据41(轨道元素)。这些例如是从最近公布的双行轨道根数(TLE)获得的，TLE对给定时期(时间点)内的轨道元素进行编码。使用该序列{ω0j,v0j,τ0j}34和星历表数据41，它生成终端在每个分组j＝0,1,…,J-1的发送时的位置的位置估计42的序列。
在时间和频率同步的操作的情况下，位置估计处理器40可以利用以下事实，即，ω0j、v0j、τ0j 34是“绝对的”，即，是相对于已知参考的。
在不同步操作(终端或卫星没有准确的全球时间参考)的情况下，位置估计处理器可以改为利用来自不同分组的这些估计的稳定性，即，可以比较具有不同索引j的分组之间的时间和/或频率估计。例如，处理器可以使用以下量来对分组j＝0区别地操作：
参考分组j＝0的选择是任意的，并且可以是j＝0,1,…,J-1的任何其他的选择。
2.2经由非线性优化的位置估计
从卫星星历表数据41，位置估计器40可以至少确定近地轨道卫星的时变位置矢量xs(t)的近似。设tj为分组j＝0,1,…,J-1的发送时间。设xt(t)为终端在时间t的位置矢量的假设(在与xs(t)相同的坐标系中)。为简单起见，我们将暂且假定对于时间间隔(t0,tJ-1)：xt(t)≈xt。
对于给定的xs(t)，卫星的“占用空间”可以被确定。这是地球上的的位置的集合卫星从这些位置(在没有遮挡的情况下)是可见。这表示对于时间t时的终端位置的可行选择集合，即，我们知道该占用空间可被容易地修改以将卫星位置、时序和与卫星通信所需的最小海拔角度中的小的不确定性考虑在内。设
我们现在将描述根据实施例的用于估计位置的方法，在该方法中，终端是同步的终端。在第2.2.2节中，该实施例然后将被推广到其中终端是不同步的终端的实施例。
近地轨道卫星20可以接收的陆地的或基于空间的信标信号58可以用于通过改进近地轨道卫星的位置估计来改进性能。这在第3.1节中描述。信标信号50也可以被终端接收，并且被用于改进位置估计42。这在第3.2节中描述。
2.2.1同步的终端
首先，假定终端10具有时间和频率同步，使得估计ω0j和v0j是相对于ωc的并且τ0j是相对于分组j的发送的精确时间tj的(即，是飞行时间的估计τ(tj))。
对于时间t时的给定的假设的终端位置xt和卫星位置xs(t)，设
d(t|xt)＝||xt-xs(t)||2 方程9
为对于时间t时终端和卫星之间的时变距离的假设。类似地，定义ω(t|xt)、v(t|xt)和τ(t|xt)。
定义误差函数：
Δω0j(xt)＝ω(tj|xt)-ω0j 方程10
Δv0j(xt)＝v(tj|xt)-v0j 方程11
Δτ0j(xt)＝τ(tj|xt)-τ0j 方程12
此外，我们将总误差定义为：
其中α0j、β0j、γ0j是用于对对于全球误差函数的贡献进行加权的非负常数。这些常数用于调谐系统性能，可以提前通过实验确定，并且可以包括将值变换为更可比的值的单位因子的变化。它们还可以用于根据对于不同分组报告的质量测度来对来自这些分组的估计的贡献进行加权(例如，我们可以不太注意来自具有较低信噪比的分组的估计)。τ、ω和v的不同估计器还可以报告这些估计的质量测度，这些也可以用于选择加权因子。
位置估计处理器通过对以下非线性优化问题进行求解来生成终端位置的估计
存在许多求解非线性最小二乘优化问题的已知方法。一个例子是Levenberg-Marquardt算法。这样的算法迭代地工作，从而通过考虑误差函数的梯度来改进初始猜测。初始猜测的一个好的选择是卫星在时间t的地面跟踪位置。因为我们在区域中需要全域解，所以我们可以使该空间离散化(例如，通过布网格)，并且运行以每个网格点初始化的局部优化器，诸如Levenberg-Marquardt。全域解候选(一个或多个)是Δ(xt)结果最小的那些全域解。
在其他实施例中，可以使用其他函数或优化方法来执行估计。例如，可以使用线性最小二乘法或混合解决方案，这些混合解决方案使用线性方法作为第一估计，并且使用非线性方法来进一步改善该估计(或者反过来)。类似地，其他方法包括设法使误差最小化(例如通过定义函数并且使该函数最小化或最大化)的迭代方法。在一些情况下，估计处理需要保证是最优解，但是可以通过满足基于精度或稳定性的停止准则(诸如误差小于预定阈值、或连续迭代或迭代序列之间的变化小于预定阈值)来定义。
应注意，在没有关于终端位置的任何其他的信息时，可能存在无法解决的歧义性。通过此，我们意味着将存在属于相同最小值Δ(xt)的的两个候选终端。在一些情况下，这样的歧义性可以通过利用关于可能事先已知的终端位置的附加信息来解决。例如，终端的近似位置可能已经例如从精确地获得的定位知道，并且该信息可以用于排除错误的歧义性。
如上面所指出的，为简单起见，终端被假定是静止的。然而，在一些实施例中，该假定可以放宽。在这种情况下，我们用xt(t)取代方程9-13中的xt，所以误差是针对每个发送估计的，并且优化方程14求解固定时间时的位置矢量或位置和速率分量。
2.2.2不同步的终端
当终端与已知参考在时间和/或频率上不同步(但是在感兴趣的持续时间期间是稳定的)时，仍可以构造类似于方程14的优化问题。所需的主要修改是区别地操作，对方程6-8中定义的量定义类似于方程10-12的误差函数。
3.0信标信号
所述系统可以可选地利用由陆地无线电发送器或由卫星发送的信标信号40。需要这些信标具有已知的(或可估计的)位置。例子包括：
GPS卫星53发送的L1信号54或来自其他全球定位系统的信号；
陆地GPS增加系统发送的信号；
来自具有已知的受信任的位置和时序的终端(例如装有GPS接收器的终端)的发送；
来自具有已知频率和已知地点的陆地信标55的陆地广播56，诸如数字音频广播无线电信号；
从其他卫星星群51发送的信标52。
第3.1节描述了如何使用近地轨道卫星接收的这样的信号。第3.2节描述了如何利用终端接收的这样的信号。设信标信号以k＝1,2,…,K-1为索引，并且设信标位置为bk。
3.1卫星接收的信标
为了获得终端10的准确位置估计，重要的是，位置估计器40具有卫星20的位置的精确获悉。从TLE数据推导的估计在实践中可能不够准确。为了改进性能，卫星可以另外还对从基于空间的源或陆地的源51、53、55发送的信标信号50进行采样。一个例子是，使近地轨道卫星20携带GPS接收器有效载荷，接收GPS信号以非常准确地确定它的位置，并且将该信息转播给地面站30。这在一些情况下可能不是可取的，因为这样的GPS有效载荷可能是不存在的，或者可能使用大量电力，并且可能使用可用带宽中的一些。
代替接收并解码GPS信号，卫星可以另外还如图1所示那样对来自陆地信标终端55的信号58(或任何其他信标)进行采样。
陆地信标终端55发送它们的精确的位置和全球时序(除了它们可能发送的任何其他的数据之外)。卫星20另外还对这些信号进行采样，并且将这些采样转发给地面站30以用于调配给位置估计器40。位置估计器40对每个信标信号k＝1,2,…,K-1获得延迟τk、多普勒ωk和多普勒速率vk的估计。这些可以进一步以每个信标发送的特定分组为索引(例如，ωkj)，然而，为了清晰起见，这已经被省略。
推广第2.2.1节中的开发，对于给定的假设的终端位置xt和假设的卫星位置xs，定义ω(t|xt,xs(t))、v(t|xt,xs(t))和τ(t|xt,xs(t))作为时间t时的、与终端和卫星位置的特定的假设选择相对应的多普勒、多普勒速率和延迟。类似地，定义ω(t|bk,xs(t))、v(t|bk,xs(t))和τ(t|bk,xs(t))作为对于信标k的已知位置和卫星的假设位置的假设量。
将在时间tj接收的用于分组j＝0,1,…,J-1的误差函数定义为：
Δω0j(xt，xs(tj))＝ω(tj|xt，xs(tj))-ω0j 方程15
Δv0j(xt，xs(tj))＝v(tj|xt，xs(tj))-v0j 方程16
Δτ0j(xt，xs(tj))＝τ(tj|xt，xs(tj))-τ0j 方程17
并且将在时间tk观察到的信标定义为：
Δωk(bk，xs(tk))＝ω(tk|xt，sx(tk))-ωk 方程18
Δvk(bk，xs(tk))＝v(tk|b，xs(tk))-vk 方程19
Δτk(bk，xs(tk))＝τ(tk|bk，xs(tk))-τk 方程20
将总误差定义为：
其中类似于以前那样，αk、βk、γk是用于对信标误差对全球误差函数的贡献进行加权的附加非负常数。
设为卫星20的可能的位置的范围(例如，按照围绕通过当前TLE预测的轨迹的不确定性椭球获得)。位置估计模块40通过对以下非线性优化问题进行求解来生成终端位置的估计
方程22的意外结果是对于近地轨道卫星20的准确的位置估计。扩展到异步操作是以与在第2.2.2节中描述的方式类似的方式、对不同版本的误差函数进行操作来实现的。所述方法可以进一步扩展到近地轨道卫星20没有精确的全球时间参考的情形。在这种情况下，优化扩展到包括卫星时序参考t中的不确定性。设为该时序参考中的不确定性：
3.2终端接收的信标
终端接收的信标也可以被利用。在这些实施例中，终端需要估计来自信标k的信号的时间延迟τk、多普勒ωk和多普勒速率vk中的至少一个并且经由近地轨道卫星20将这些估计发送到地面站30。通过在终端处执行τk、ωk和/或vk的估计，这省去了如辅助GPS系统中的将信号的采样发送到地面站的需求，并且使终端需要送回到地面站的数据量减少。可以使用对接收的信标信号进行处理和解码的解码器来执行估计。
类似于第3.1节中描述的扩展，位置估计器然后通过以下方式来将这些估计合并在它的非线性优化中，即，将误差函数(方程14)扩展到包括关于这些附加估计的项，与它们在信标的已知位置和终端的假设的位置xt给定的情况下的假设值进行比较。该方法可以另外还被用于第3.1节中描述的方法。唯一差别是，τk、ωk和vk以及信标(或其位置)的身份是由终端计算的，并且被发送到地面站，而不是在地面站处计算的。
第.3.3节描述了用于从卫星的GPS星群发送的L1信号获得(差分)延迟和多普勒估计的特定的低复杂度方法。
GPS信号包括粗略采集C/A代码，该代码是从两个m序列构造的长度为1023的Gold代码，并且是卫星特定的。该代码具有精确为1ms的周期。加密的精度代码(P(Y))为10.23Mchip/s，并且具有周期一个星期(～2.35×104个芯片)。导航数据被以50bit/s调制到C/A代码上(比特周期20ms，即，每比特20个C/A代码重复)。导航数据包括30个比特的遥测数据、30个比特的移交数据、GPS日期和时间、星历表数据和历书数据。遥测和移交数据是每6秒重复的(300个比特)。C/A和P(Y)代码是以使P(Y)衰减3dB正交调制的。
在GPS接收器术语中，伪距是在卫星处发送的时间(相对于子帧的开始)和接收的时间之间的绝对时间差。在标准的GPS接收器处理中，接收器被假定具有绝对的时间参考以便获得这些伪距。
标准的接收器：
获得粗略采集(检测哪些C/A代码存在，可能通过先前接收的历书数据来帮助它的研究)；
进入代码跟踪循环；
对C/A代码上携带的50bps导航数据进行解调；
从来自每个子帧中的移交字(HOW)的解调的数据确定卫星处的时间；
对视野中的每个卫星计算伪距。这需要接收器具有稳定的且与GPS时间同步的时钟。
对于卫星j的伪距是两个分量的和：(a)在帧开始时测得的时间差，该时间差是以毫秒为单位离散化的(C/A代码周期)；以及(b)来自PLL的代码相位，其是亚毫秒分辨率。在我们的系统中，我们只需要本地稳定的、而与任何外部源不同步的接收器时钟。通过局部稳定，我们意味着它在对信号采样的一个矢量进行处理的持续时间期间以足够的精度维护它自己的时间。代替确定绝对伪距，我们计算差分伪距。差分伪距是对于每个卫星和最早的卫星的相关子帧边界之间的相对延迟。
3.3GPS L1信号作为信标的使用
在此节中，我们将描述信标信号50的特定实例，即，GPS卫星53发送的L1信号54。我们将描述用于从接收的L1信号54获得所需的延迟和多普勒估计的位置估计方法的实施例。用于从GPS信号获得位置的传统方法的一个问题是它们需要大量计算资源和不太陈旧的GPS星历表数据。在该实施例中，这样的需要可以有利地被避免。
解决终端中的大量计算资源的第一个问题的一种方式是在终端处对GPS信号进行采样并且将这些采样发送到更有能力的中央处理装置。该构思被用于蜂窝无线电应用中，并且被称为辅助GPS。然而，该方法假定在终端和中央处理单元之间存在足够有能力的通信信道。在地理分布式的终端的许多应用中，这样的通信信道或链路是不可用的或不可行的，要么是由于缺乏基础设施，要么是由于建立或维护所需链路所需的额外成本、电力或带宽而被禁用。
在本实施例中，这个第一个问题通过小心地在终端和更有能力的中央接收器之间划分计算以使得终端只需要将少量比特从终端发送到中央位置估计处理器40来解决。关于第二个问题，GPS卫星星历表数据通常经由“历书”的发送来保持最新。这是对于GPS接收器模块的标准做法。这要求装置可以接收这些信号并且装置可以开启(或从休眠醒来)足够长的时间以接收历书。
本文所描述的方法避免了这两个需求。有利地，并且与其他软件定义的GPS接收器不同的，该方法在终端处不需要任何历书(或星历表)数据。相反，位置估计是在中央处理器处完成的，中央处理器可以经由标准通信链路(例如，经由互联网)被提供有历书。
图3示出根据实施例的用于混合分布式位置确定的模块的示意性表示3。图2中的对应部件被相应地标示。另外，终端10包括GPS天线144和宽带RF接收器前端140，宽带RF接收器前端140将基带模拟信号146提供给ADC 150，ADC 150将GPS IQ采样提供给代码相位和多普勒估计器模块160。这产生代码相位和多普勒估计162，这些估计被压缩模块170压缩，压缩模块170将代码相位和多普勒比特提供给分组形成模块110。代码相位和多普勒估计的估计162然后被通信接收器32在解码操作期间获得，并且被提供给位置估计器40。
3.3.1粗略延迟和多普勒估计
图4是根据实施例的终端10中的粗略C/A代码相位/多普勒估计模块400的更详细的示意图，粗略C/A代码相位/多普勒估计模块400执行C/A代码的“相位”(延迟)和多普勒频率的粗略估计。在该实施例中，串行多普勒/并行相位方法被用于估计，但是在其他实施例中，它也可以倒过来进行。
常见的前端410接收信号402并且向下转换411为复基带412和采样412以生成W个复采样414的序列。在该实施例中，W个采样被传递到串并转换器414，前端然后(并行地)将这些采样乘以M个复正弦曲线415以生成每个长度N的M个采样序列xm,m＝1,2,…,M,416。用于每列的M个正弦曲线的频率被选为覆盖预期多普勒频率的范围。对于固定接收器的常见选择将是以500Hz为步长的从-5kHz至5kHz的范围。这得到M＝21。移动接收器将需要将该范围扩展到±10kHz，并且M＝41。前端然后获取W个时域采样的这些块中的每个的零填充离散傅里叶变换417以生成N个复频域采样的矢量
矢量y1,y2,…,yM 421被提供给每卫星代码相位估计器模块420中的每个。用于卫星j的代码相位估计器将ym中的每个逐个元素地乘以422长度为N的矢量是C/A代码j423的N点零填充离散傅里叶变换。为清晰起见，在图4中，这仅仅是针对频率区间m和卫星j示出的。该操作的结果被标记为zmj 424。
峰值检测块425输出与复矢量zmj的最大幅值元素相对应的代码延迟(和多普勒频率ωj＝2πfm)。这也可以使用相邻元素的插值来改进。它还输出该峰值的(插值的)幅值aj，该幅值aj可以被与阈值进行比较以确定来自卫星j的信号是否存在。可替代地，可以使用Turkman-Walker测试来对最大峰值和第二大峰值的幅值的比率进行测试。
刚才描述的方法需要所有卫星采集单元共享的以下前端操作：
·两个长度为W的复矢量的M个逐元素乘法以生成x1,x2,…,xM，这需要O(MW)个操作；以及
·长度为N的M个离散傅里叶变换，生成y1,y2,…,yM，这是O(MNlog2N)个操作。
另外，对于每个卫星j＝1,2,…,J和每个频率m＝1,2,…,M，存在形成矢量zmj的N个复乘法和N个复幅值比较以找到峰值。就J个卫星而言，这相当于M(W+Nlog2N+2JN)个复操作。
例如，在固定接收器并且M＝21、W＝N＝1024和J＝24(等同于“冷启动”)的情况下，存在≈1.27×106个操作。对于以100MHz运行的通用处理器，并且假定每周期单个指令，这对应于大约12.7毫秒的处理器时间。这被与下载GPS历书所需的12分钟和进一步的处理时间进行比较以实际上获取基于历书数据的GPS信号。
3.3.2联合改善
标准的GPS接收器使用锁相环路(PLL)来在子芯片级别上连续地跟踪代码相位。这需要从GPS卫星连续接收信号，并且花费一定量的时间来建立稳定的锁定。如果接收器只可以访问短窗口的信号采样，则这是不可能的。
相反，在本文所描述的方法中，对于检测到的卫星的粗略延迟和多普勒估计142是联合改善的。在一个实施例中，这可以使用非线性最小二乘法法(诸如Levenberg-Marquardt)来实现。这通过使接收的信号和假设信号之间的误差范数最小化来工作，该假设信号被形成为检测到的卫星的C/A代码的时间移位版本和频率移位版本的叠加。这些单个的信号用它们的复增益的最小二乘估计来加权。该方法还可以通过另外还将多普勒速率应用于假设信号来生成多普勒速率的估计。
设索引为在粗略采集期间检测到的一组GPS卫星。设ci(t)为来自GPS卫星i的C/A代码。于是，联合改善步骤对如下定义的误差信号ε(t)进行操作：
其中ti、ωi、vi是对于GPS卫星i的假设改善的延迟、多普勒和多普勒速率。另外，ai是用于信号i的复增益。
该方法的优点是，它可以仅使用短窗口的采样来进行操作，所以不同于常规的GPS接收器，不需要连续操作。这表示对于终端的大量电力节省。第二个重要的优点是，它联合地估计延迟、多普勒和多普勒速率。这考虑到GPS所用的Gold代码之间的小的(但是重要的)互相关性。它还适当地将观察窗口大小考虑在内。
本领域技术人员将理解，信息和信号可以使用各种技术和技巧中的任何一个来表示。例如，在以上整个描述中可能提到的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码元可以用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任何组合来表示。
本领域技术人员将进一步意识到，与本文所公开的实施例结合描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或指令、或这二者的组合。为了清晰地例示说明硬件和软件的这个可互换性，各种说明性组件、块、模块、电路和步骤已经在上面大体上就它们的功能性进行了描述。这样的功能性是实现为硬件还是软件取决于特定应用和对整个系统施加的设计约束。技术人员可以针对每个特定的应用以不同的方式实现所描述的功能性，但是这样的实现决策不应被解释为引起脱离本发明的范围。
与本文所公开的实施例结合描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、用处理器执行的软件模块、或者用这二者的组合来实施。对于硬件实现，处理可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、或被设计为执行本文所描述的功能的其他电子单元、或它们的组合内实现。在一些实施例中，包括一个或多个中央处理单元(CPU)的计算装置可以用于执行所述方法(诸如位置估计)的步骤中的一些。CPU可以包括输入/输出接口、算术和逻辑单元(ALU)以及控制单元和程序计数器元件，控制单元和程序计数器元件通过输入/输出接口与输入装置和输出装置进行通信。输入/输出接口可以包括用于使用预定义的通信协议(例如，蓝牙、Zigbee、IEEE 802.15、IEEE 802.11、TCP/IP、UDP等)与另一装置中的等同的通信模块进行通信的网络接口和/或通信模块。所述计算装置可以包括单个CPU(核)或多个CPU(多个核)、或多个处理器。所述计算装置可以使用并行处理器、矢量处理器，或者可以是分布式计算装置。存储器操作地耦合到处理器(一个或多个)，可以包括RAM组件和ROM组件，并且可以设在装置内或外。存储器可以用于存储操作系统和附加的软件模块或指令。处理器(一个或多个)可以被配置为加载并执行存储在存储器中的软件模块或指令。
软件模块(其也被称为计算机程序、计算机代码或指令)可以包含若干源代码或对象代码段或指令，并且可以驻留在任何计算机可读介质(诸如RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、DVD-ROM、蓝光盘、或任何其他形式的计算机可读介质)中。在一些方面，计算机可读介质可以包括非暂时性计算机可读介质(例如，有形介质)。另外，对于其他方面，计算机可读介质可以包括暂时性计算机可读介质(例如，信号)。以上的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。在另一方面，计算机可读介质可以与处理器集成。处理器和计算机可读介质可以驻留在ASIC或相关器件中。软件代码可以存储在存储器单元中，处理器可以被配置为执行它们。存储器单元可以在处理器内或处理器外实现，在这种情况下，它可以经由本领域中已知的各种手段通信地耦合到处理器。
此外，应意识到，用于执行本文所描述的方法和技术的模块和/或其他适当的手段可以被计算装置下载和/或以其他方式获得。例如，这样的装置可以耦合到服务器以促进用于执行本文所描述的方法的手段的传送。可替代地，本文所描述的各种方法可以经由经由存储手段(例如，RAM、ROM、物理存储介质(诸如紧凑盘(CD)或软盘)等)提供，以使得计算装置在将存储手段耦合到或提供给该装置时可以获得各种方法。而且，用于提供本文所描述的方法和技术的任何其他的合适的技术可以被利用。
本文所描述的方法包括用于实现所描述的方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，所述方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非步骤或动作的特定次序被指定，否则在不脱离权利要求的范围的情况下，特定步骤和/或动作的次序和/或使用可以被修改。如本文所使用的，指代项目列表“中的至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个数字。作为例子，“a、b或c中的至少一个”意图涵盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。
如本文所使用的，术语“估计”或“确定”包含多种多样的动作。例如，“估计”或“确定”可以包括运算、计算、处理、推导、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一数据结构中查找)、查明等。此外，“估计”或“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解决、选择、抉择、建立等。
以上描述是指近地轨道卫星。然而，要理解的是可以携带有效载荷并且盘旋或飞行延长时间段的高海拔平台站(诸如高海拔气球、飞艇或沿着长航无人机的固定翼)。因此，在本说明书的上下文中，卫星既包含LEO卫星，又包含高海拔平台。
本文所描述的系统、方法和设备的实施例可以用于在地面站、而不是在终端本身生成终端位置(例如，纬度、经度和海拔)的估计。这可以与其中终端本身需要它自己的地点的估计的导航应用形成对比。
一个应用是远程资产、可能还有移动资产的跟踪，诸如家畜、工业机械、装运容器、调色板和环境传感器。这些是其中资源或传感器本身不需要知道它自己的位置的应用。相反，中央管理系统希望确定所有资产/传感器的地点。
另一应用是提供资产的地点的独立验证，该验证可以单独地报告它的位置。例如，使用自动识别系统的轮船广播它们的位置(该位置可以从星上GPS模块推导)。所提出的方法可以用于为了安全性和/或鲁棒性的原因独立地验证这些报告的位置。类似地，所述系统可以用于验证舰队跟踪系统中的交通工具的位置。
所提供的定位方法对于远程跟踪应用具有若干优点：
1.它在终端处不需要GPS模块。这使得终端构建成本降低，并且将使用少得多的电力，这导致蓄电池寿命更长。
2.它不要求终端获悉GPS卫星、信标卫星或陆地信标的位置。例如，在冷启动模式下，GPS接收器12要花费12分钟来下载整个历书。本文所描述的方法的实施例避免了该处理。
3.所述方法主要是在地面站处实现的，在地面站中，更大的计算资源是可用的，电力使用不太重要，并且关于GPS和其他卫星的星历表数据是可用的(例如经由与互联网数据库的直接连接)。
如上所述，地面站30(或与地面站30通信的站点)处的位置估计器40通过将在地面站30处计算的终端的时间延迟/多普勒/多普勒速率的估计与对于终端的地点的特定假设将预期的对应的假设的量进行比较来工作。在知道其准确估计可供地面站使用的卫星的位置20(要么可从另一源获得，要么可基于可用的/可获得的数据估计)的情况下，这些量可以被确定。地点估计是估计的量和假设的量之间的总误差最小的假设。所述方法的实施例可以另外可选地适时地利用终端接收的其他信标信号50。在这种情况下，终端10对一个信标信号(或多个信标信号)计算或以其他方式估计延迟/多普勒/多普勒速率估计中的一个或多个，然后将这样的信标信号50的估计(一个或多个)作为其数据发送12的一部分发送到近地轨道卫星20。本文所描述的方法既适用于不同步的终端，又适用于同步的终端。本文所描述的方法也独立地适用于具有和没有星上全球位置和时序参考的近地轨道卫星。此外，在一些实施例中，延迟、多普勒或多普勒速率的估计可以在卫星处执行，位置估计可以在地面站处或连接到地面站的位置估计模块中执行，或者整个方法可以在卫星中执行(即，位置估计模块在卫星中)。
在整个说明书和权利要求中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”以及变型将被理解为暗示包括所陈述的一个特征或一组特征，但不排除任何其他的一个特征或一组特征。
本说明书中对任何现有技术的论述不是，并且不应被看作是承认此类现有技术形成公知常识的一部分的任何形式的示意。
本领域技术人员将意识到，本公开在其用途上不限于所描述的特定一个应用或多个应用。本公开在其优选实施例中也不受到关于其中所描述的或所描绘的特定元件和/或特征的限制。将意识到，本公开不限于所公开的一个实施例或多个实施例，而是在不脱离权利要求书阐述和限定的范围的情况下，能够有许多重排、修改和替换。

Claims (35)

1.一种用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的方法，所述方法包括：
在远离终端的地点处从与从所述终端到卫星的发送相关的信息估计所述发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个，其中所述与所述发送相关的信息至少包括所述卫星接收的信号、或所述卫星接收的信号的一个或多个数字采样；
接收在所述发送时所述卫星的位置的估计；并且
使用所述卫星的位置的估计连同所述时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计中的至少一个来估计所述终端位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述与所述发送相关的信息是经由从卫星到地面站的一个或多个发送接收的，对时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个的估计是由操作地连接到所述地面站的通信接收器执行的，所述时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率是在由所述通信接收器进行解码处理以恢复所述发送中的用户数据的估计期间估计的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括相对于星上时间或频率参考的、所述发送被所述卫星接收到的时间戳。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括相对于所述终端中的时间或频率参考的、所述发送被所述终端发送的时间戳。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括由所述终端基于对照所述终端时间或频率参考确定的预定发送时间表估计的发送时间。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述终端将发送序列发送到所述卫星，所述卫星将与所述发送序列相关的信息发送到地面站，从接收的信息估计延迟、多普勒或多普勒速率中的一个或多个是针对所述发送序列中的每个发送执行的，对所述终端位置的估计使用在每个发送时所述卫星的位置的估计以及对于所述发送序列中的每个发送的估计中的每个。
7.根据权利要求6所述的方法，其中对所述终端位置的估计是对所述发送序列中的发送之间的估计间差异区别地执行的。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述终端包括稳定时钟，并且与任何全球时间或频率参考不同步，估计所述终端位置进一步包括估计相对于全球时间或频率参考的终端偏移。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述卫星不包括星上位置参考，并且所述终端位置的估计进一步包括估计所述卫星位置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括：
在所述卫星处从陆地的或基于空间的源接收一个或多个信标信号，所述信标信号包括相对于参考的信标位置和全球时序，所述卫星将所述信号的采样转发给所述地面站，并且对所述终端的地点的估计进一步包括对每个信标信号估计信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括：
在所述终端处从陆地的或基于空间的源接收一个或多个信标信号，所述信标信号包括相对于参考的信标位置和全球时序，所述终端对每个信标信号估计信标多普勒或信标多普勒速率中的一个或多个，并且将所述一个或多个估计包括在到所述卫星的一个或多个发送中，对所述终端的地点的估计进一步包括对于每个信标信号估计信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中对所述终端位置的估计是通过基于所述终端在时间t的位置矢量的假设、对所述卫星的时变位置矢量使用非线性优化处理来执行的。
13.根据前一项权利要求所述的方法，进一步包括估计所述卫星的占用空间，并且将所述终端的位置矢量约束在所述占用空间内。
14.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述终端被配置为：接收GPS L1信号，执行C/A代码的“相位”(延迟)和多普勒频率的粗略估计，并且将一个或多个发送中的C/A代码相位和多普勒频率的估计提供给所述卫星，并且估计所述终端位置的步骤进一步包括接收GPS历书并且使用接收的对于C/A代码和多普勒频率的估计来估计所述终端的位置。
15.根据前一项权利要求所述的方法，其中所述终端通过以下步骤来获得C/A代码和多普勒频率的估计：
接收信号并且将所述信号向下转换为复基带信号；
对所述复基带信号进行采样以生成W个复采样的序列；
执行所述W个复采样的串并转换，并且并行地将所述W个复采样乘以M个复正弦曲线以生成每个长度为N的M个采样序列，其中所用的M个正弦曲线的频率被选为覆盖多普勒频率的预期范围；
对所述M个采样序列中的每个执行零填充离散傅里叶变换以生成N个复频域采样的矢量；
将所述M个矢量提供给每个每代码相位估计器模块，所述每代码相位估计器模块将所述矢量中的每个逐个元素地乘以长度为N的矢量，所述长度为N的矢量是相应的C/A代码的N点零填充离散傅里叶变换，并且输出与所述乘法之后的最大幅值元素相对应的相关联的代码延迟和多普勒频率。
16.一种包括在地面站中或操作地连接到地面站以用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的通信接收器，所述通信接收器包括：
解码器，所述解码器被配置为从与地面站从卫星接收的发送相关的信息估计从终端到卫星的发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个，其中所述与所述发送相关的信息至少包括所述卫星接收的信号、或所述卫星接收的信号的一个或多个数字采样；
接口，所述接口用于接收在所述发送时所述卫星的位置的估计；以及
位置估计模块，所述位置估计模块包括处理器，所述处理器被配置为使用所述卫星的位置的估计连同所述时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计中的至少一个来估计终端位置。
17.根据权利要求16所述的通信接收器，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括相对于星上时间或频率参考的、所述发送被所述卫星接收到的时间戳。
18.根据权利要求16或17所述的通信接收器，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括相对于所述终端中的时间或频率参考的、所述发送被所述终端发送的时间戳。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的通信接收器，其中所述与所述发送相关的信息进一步包括所述终端基于对照所述终端中包括的时间或频率参考确定的预定发送时间表估计的发送时间。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的通信接收器，其中所述终端将发送序列发送到所述卫星，所述卫星将与所述发送序列相关的信息发送到所述地面站，所述解码器被配置为对所述发送序列中的每个发送估计延迟、多普勒或多普勒速率中的一个或多个，并且所述位置估计模块使用在每个发送时所述卫星的位置的估计以及对于所述发送序列中的每个发送的、发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计中的每个。
21.根据权利要求20所述的通信接收器，其中所述位置估计模块被配置为使用所述发送序列中的发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计间差异来区别地估计所述终端位置。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的通信接收器，其中所述位置估计模块被进一步配置为估计相对于全球时间或频率参考的终端偏移并且使用所述终端偏移的估计来估计所述终端的位置。
23.根据权利要求16至21中任一项所述的通信接收器，其中所述位置估计模块被进一步配置为估计卫星位置并且使用所述卫星位置的估计来估计所述终端的位置。
24.根据权利要求16至23中任一项所述的通信接收器，其中：
所述解码器被进一步配置为从由所述卫星经由所述地面站从陆地的或基于空间的源接收的一个或多个信标信号的采样估计信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个；并且
所述位置估计模块被进一步配置为使用所述信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个来估计所述终端的位置。
25.根据权利要求16至23中任一项所述的通信接收器，其中：
所述接口被进一步配置为经由所述地面站接收所述终端从陆地的或基于空间的源接收的一个或多个信标信号中每个的信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的一个或多个的估计；并且
所述位置估计模块被进一步配置为使用所述信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个来估计所述终端的位置。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的通信接收器，其中所述位置估计模块被进一步配置为通过基于在时间t的所述终端的位置矢量的假设、对所述卫星的时变位置矢量使用非线性优化处理来估计所述终端位置。
27.根据权利要求26所述的通信接收器，其中所述位置估计模块被进一步配置为估计所述卫星的占用空间，并且对所述终端位置的估计使用对所述卫星的占用空间的估计，以将所述终端的位置矢量约束在所述占用空间内。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的通信接收器，其中所述接口被进一步配置为接收GPS历书，并且被进一步配置为经由所述地面站接收从由所述终端接收的GPS L1信号的、对于C/A代码和多普勒频率的估计，并且所述位置估计模块被进一步配置为使用C/A代码和多普勒频率的估计来估计所述终端位置。
29.根据权利要求16至27中任一项所述的通信接收器，其中所述终端被配置为：接收GPS L1信号，执行C/A代码的“相位”(延迟)和多普勒频率的粗略估计，并且将一个或多个发送中的C/A代码相位和多普勒频率的估计提供给所述卫星，并且估计所述终端位置的步骤进一步包括接收GPS历书并且使用接收的对于C/A代码和多普勒频率的估计来估计所述终端的位置。
30.一种卫星通信系统中的终端，所述终端包括：
RF收发器前端，所述RF收发器前端被配置为从陆地的或基于空间的源接收一个或多个信标信号；
解码器，所述解码器被配置为从接收的一个或多个信标信号获得相对于参考的信标位置和全球时序，并且对每个信标信号估计信标多普勒或信标多普勒速率中的一个或多个；
发送器，所述发送器被配置为发送对每个信标信号估计的信标时间延迟、信标多普勒频率或信标多普勒频率变化速率中的至少一个。
31.一种被配置为接收GPS L1信号并且执行接收的GPS L1信号的C/A代码的“相位”(延迟)和多普勒频率的粗略估计的卫星通信系统接收器中的终端，所述终端包括：
RF收发器前端，所述RF收发器前端被配置为：
接收GPS L1信号并且将所述GPS L1信号向下转换为复基带信号；
对所述复基带信号进行采样以生成W个复采样的序列；
串并转换器，所述串并转换器被配置为：
将所述W个复采样转换为M个块；
并行地将每块W个复采样乘以M个复正弦曲线以生成每个长度为N的M个采样序列，其中所用的所述M个正弦曲线的频率被选为覆盖多普勒频率的预期范围；
对所述M个采样序列中的每个执行零填充离散傅里叶变换以生成N个复频域采样的矢量；
卫星采集单元，所述卫星采集单元包括：
多个每卫星代码相位估计器，每个被配置有GPS卫星的C/A代码，并且所述多个每卫星代码相位估计器中的每个被配置为：接收所述M个N个复频域采样的矢量中的一个，并且执行所述矢量中的每个与长度为N的矢量的逐元素乘法，所述长度为N的矢量是相应的C/A代码的N点零填充离散傅里叶变换；以及
峰值检测器，所述峰值检测器被配置为确定并输出与所述乘法之后的最大幅值元素相对应的代码延迟和多普勒频率。
32.一种卫星通信系统，所述卫星通信系统包括：
地面站；
多个终端；
多个卫星，每个卫星被配置为从终端接收信号，并且要么将所述卫星接收的信号重发到所述地面站，要么将所述卫星从终端接收的信号的一个或多个数字采样重发到所述地面站；
根据权利要求16至29中任一项所述的通信接收器，所述通信接收器被包括在所述地面站中或者与所述地面站操作地连接。
33.根据权利要求32所述的卫星通信系统，其中每个终端是根据权利要求30或31配置的。
34.一种卫星通信系统，所述卫星通信系统包括：
地面站；
多个终端；
多个卫星，每个卫星被配置为从终端接收信号，并且要么将所述卫星接收的信号重发到所述地面站，要么将所述卫星从终端接收的信号的一个或多个数字采样重发到所述地面站；
通信接收器，所述通信接收器包括在所述地面站中或者与所述地面站操作地连接，并且包括：
解码器，所述解码器被配置为从与所述地面站从卫星接收的发送相关的信息估计从终端到所述卫星的发送的时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率中的一个或多个，其中所述与所述发送相关的信息至少包括所述卫星接收的信号、或所述卫星接收的信号的一个或多个数字采样；
接口，所述接口用于接收在所述发送时所述卫星的位置的估计；以及
位置估计模块，所述位置估计模块包括处理器，所述处理器被配置为使用所述卫星的位置的估计以及所述时间延迟、多普勒频率或多普勒频率变化速率的估计中的至少一个来估计终端位置。
35.一种处理器可读介质，所述处理器可读介质包括指令，所述指令用于配置执行根据权利要求1至15中任一项所述的用于估计卫星通信系统中的基于地面的终端的位置的方法的处理。
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