诸如为了定位地球上的干扰源等的用于获得与从地球发射的电磁能量有关的信息的设备、系统和方法

摘要

一种观察卫星，用于获得从地球上发射的电磁能量的信息。所述卫星在倾角大于90°且小于270°的轨道绕地球运行。此外，所述观察卫星包括：至少一个接收天线，所述至少一个接收天线具有指向地球的接收模式，并在所述卫星相对于地球表面沿轨道运行时，所述至少一个接收天线适于在射频范围内接收电磁能量。所述观察卫星还包括：传送器，被配置为具有以下至少一个功能：(i)重新传送所接收到的电磁能量的至少一部分，(ii)发射表示所接收到的电磁能量的至少一部分的信息，(iii)发射从所接收到的电磁能量的至少一部分推导出的信息。本发明还涉及相关的系统和方法。

说明书

技术领域

本发明主要涉及电信以及获得与从地球上一个或多个源发射的电磁能 量有关的信息。本发明例如可以用于定位地球上的干扰源，但本发明并不限 于此特定应用。

背景技术

卫星通信尤其涉及从地球上的站向卫星的信号的传输，反之亦然。卫星 通信可用于为地球上两点之间提供通信服务，包括点对点服务(例如互联网、 卫星电话)和点对多点(广播)服务(如电视)。执行卫星通信的站可以是固定的 (如屋顶盘)或移动的(如车辆、船舶、飞行器、手持装置)。随着卫星和地面 通信使用的增加，不同通信之间的干扰风险也增加。

过去，为定位干扰发射站已经做出了许多努力，并且更一般地，为解决 干扰问题已经做出了许多努力，并减轻了由此产生的中断(包括卫星通信系 统的可用容量的减少)。

在地球上定位干扰传输站的一种已知方法是使用地面站。例如， US5008679涉及一种利用不同卫星的接收信号之间的相关，定位未知的射频 传送器的方法。然而，因为执行基于地面的地理定位取决于多个卫星和多个 地面站之间的信号相关、即在计算中有许多误差传播的机会的时间密集处 理，所以执行基于地面的地理定位是困难的。此外，执行基于地面的地理定 位的能力取决于包括相邻卫星的存在和大量知识、已知的参考信号的存在和 大量知识以及必要地面硬件的存在的许多因素，因此，基于地面的地理定位 在很多情况下是无效的。

其它已知方法使用直升机或无人驾驶飞行器(UAV)来执行地理定位。然 而，这种方法的资源效率低，并且只能提供一次性分析。

考虑到以上，存在减少在卫星通信的背景下的干扰量、或者在这不可能 时采用用以应对这些干扰的技术的需求。

发明内容

为满足或至少一部分满足上述需求，在独立权利要求中定义根据本发明 的设备、系统和方法。特定的实施方式在从属权利要求中定义，并在本说明 书中解释。

在一个实施例中，卫星以下称为“观察卫星”，用于获得与从地球上的 一个或多个源发射的电磁能量有关的信息，所述卫星在倾角大于90°(即90 度)且小于270°(即270度)的轨道绕地球运行，该轨道被定义为相对于地球的 自转方向逆行。并且，观察卫星包括：至少一个接收天线，所述至少一个接 收天线具有指向地球的接收模式，并且在所述卫星相对于地球表面沿轨道运 行时，所述至少一个接收天线适于在射频范围内接收电磁能量，以及传送器， 被配置为用于以下中的至少一者：(i)重新传送所接收到的电磁能量的至少一 部分，(ii)传送表示所接收到的电磁能量的至少一部分的信息，以及(iii)传送 从所接收到的电磁能量的至少一部分推导出的信息。

因此，观察卫星能够收集数据，该数据显著提高了理解为了卫星通信目 的向空间发射的能量的组成和起源的能力。鉴于大多数通信卫星是为通信而 不是为了数据收集或分析功能而设计的，观察卫星能从根本上提供更多的关 于上行链路传输的性质的数据，这些数据无法通过如目前存在那样的通信卫 星来收集。干扰检测、系统优化、频谱规划和许多其它应用从观察卫星产生 的这些数据和理解获益许多。尤其是，通过将观察卫星布置于高倾斜(逆行) 的轨道，观察卫星相对于地球表面的速度高于在顺行轨道的同一高度运行的 卫星的速度，并且观察卫星能够经常重访相对于地球表面的给定位置并接收 来自地球上的特定区域的传输。此外，在一个实施例中，在与感兴趣传输通 常意图针对的卫星(以下称为“目标卫星”)类似的高度布置观察卫星的优点 是，观察卫星然后能够观察到地球上的较大面积，并观察到意图针对特定目 标卫星的大部分信号。

使用上述观察卫星来理解并处理卫星通信的背景下的干扰问题源自于 关注点的改变。其目的是试图确定哪些信号是从地球上的源向空间发射的。 然而，观察卫星不是试图从地球表面附近的点、而是允许从空间中的点且特 别是从感兴趣轨道附近的点来进行上述确定。因而，这使得能够更有效地收 集关于到达感兴趣轨道的信号的信息。

赤道平面和卫星绕地球运行轨道的平面之间的角度为倾角。卫星的倾角 为0°(即0度)的定义是以地球转动方向的方向在赤道平面沿轨道运行。

如上所述，观察卫星的传送器被配置为执行三个操作中的一个(分别用 符号(i)、(ii)、(iii)表示)、这三个操作中两者的组合(即，(i)+(ii)、(i)+(iii)、或 (ii)+(iii))、或者所有这三个操作(即，(i)+(ii)+(iii))。

也就是，在子实施例中，传送器被配置为(例如向地球上的地面站或其 它卫星)重新传送所接收到的电磁能量的至少一部分。因此，所接收到的电 磁能量或其一部分可能在没有通过观察卫星自身的任何处理的情况下被传 送。在这种情况下，对所接收到的电磁能量或其一部分的任何处理(用于分 析、地理定位等)可以随后在观察卫星之外、例如在地球上由处理站执行。

可替换地或另外地，在另一子实施例中，传送器可以被配置为(例如向 地球上的地面站或其它卫星)发射表示所接收到的电磁能量的至少一部分的 信息。这例如可以表示将所接收到的电磁能量或其一部分进行数字化和/或压 缩。

可替换地或另外地，在又一子实施例中，传送器可以被配置为(例如向 地球上的地面站或其它卫星)发射根据所接收到的电磁能量的至少一部分(尤 其是代替所接收到的电磁能量自身)所推导出的信息。例如通过使用卫星自 身的一些装置(也被称为“负载”)确定或估计所接收到的电磁能量的源在地 球上的位置(诸如干扰源的来源等)，可以从所接收到的电磁能量或其一部分 推导出该信息。从所接收到的电磁能量或其一部分推导出信息，也可以包括 使用卫星自身的一些装置生成关于所接收到的电磁能量的能量频谱、极化、 调制方案等的信息。

换句话说，观察卫星用于在以下情况下获得从地球上一个或多个源发射 的电磁能量的信息，其中，所接收到的电磁能量的信息的实际获得过程可以 在观察卫星的内部或外部进行。也就是说，观察卫星可以作为有助于获得与 从地球上一个或多个源发射的电磁能量有关的信息的工具。

在一个实施例中，观察卫星适于获得与从地球上的一个或多个源发射并 到达对地静止轨道的电磁能量有关的信息。因为对地静止轨道对于众多卫星 通信是至关重要的，所以监视朝向约35800公里高度处的对地静止轨道弧中 的卫星所发射的信号尤其重要。

在一个实施例中，观察卫星的传送器被配置为朝向地球传送所接收到的 电磁能量的至少一部分、或者表示所接收到的电磁能量的至少一部分的信 息、或者从所接收到的电磁能量的至少一部分推导出的信息。这样可以使地 球上的接收站或与该接收站通信的处理站根据卫星所接收到的电磁能量推 导出进一步的信息。例如，可以确定某些所接收到的电磁能量的源的位置。

然而，可能不将传送器配置为向地球直接发射所接收到的电磁能量(或 其一部分)、表示所接收到的电磁能量的信息或从所接收到的电磁能量推导 出的信息。代替上述，可以将另一卫星或航天器作为将该传输中继到地球的 中继站。这种中继卫星或航天器可以被配置为对从观察卫星接收到的信息进 行进一步处理。

在一个实施例中，从所接收到的电磁能量的至少一部分推导出的信息是 通过在所述卫星内处理所接收到的电磁能量的至少一部分所获得的。在这种 情况下，处理装置与观察卫星集成来进行该处理。

在一个实施例中，所述处理包括以下中的至少一者：(a)从模拟信号到常 用中频的能够选择的下变频；(b)所接收到的电磁能量的至少一部分所提供的 信号的模数转换；(c)所接收到的电磁能量的至少一部分的频谱分析；(d)所接 收到的电磁能量的至少一部分的多普勒偏移分析；(e)所接收到的电磁能量的 至少一部分的多普勒比率分析；(f)到达方向或到达角处理；(g)到达时间差、 即TDOA处理；(h)到达频率差、即FDOA处理；(i)两个以上天线元件之间的 参考测量；(j)数据滤波；以及(k)数据压缩。

因此，观察卫星能够对所接收到的电磁能量进行不同的处理。

例如，通过模数转换，所接收到的电磁能量携带的信号变得容易进一步 进行数字处理。

频谱分析和到达方向处理(或定向(DF))也可能有助于识别电磁能量的组 成和起源。本领域技术人员会知道如何进行频谱分析和到达方向(DOA)处 理。在这方面，关于DOA处理更多的背景，例如可以参考Schmidt,R.O.的 “Multiple emitter location and signal parameter estimation，”IEEE Transactions  on Antennas and Propagation,Vol.34,No.3,276-280,March,1986；或Lipsky, Stephen E.的“Microwave passive direction finding”，SciTech Publishing，2003。 在关于到达方向处理的学术文献中存在许多其它参考资料。

数据滤波和数据压缩可以减少由卫星传送的数据量。

在一个实施例中，观察卫星的至少一个接收天线适于在1GHz和100 GHz之间的射频范围内接收电磁能量。获得然后分析微波范围(即，在1GHz 和100GHz之间)内的电磁能量是特别有利的，因为卫星通信一般都在这个范 围内进行、从而主要由这个频率范围内的电磁能量引起卫星通信的背景下的 干扰。

在上述实施例的子实施例中观察卫星的至少一个接收天线，适于在以下 至少一个射频范围内接收电磁能量：(a)在1和2GHz之间(L带)；(b)在2和4 GHz之间(S带)；(c)在4和8GHz之间(C带)；(d)在8和12GHz之间(X带)；(e) 在12和18GHz之间(Ku带)；以及(f)在26.5和40GHz之间(Ka带)。这些示例性 的频带是对于卫星通信所特别关注的。

在一个实施例中，观察卫星的至少一个接收天线适于在对地静止卫星从 地球接收信号所使用的射频范围内接收电磁能量。换句话说，观察卫星可用 于与无线电频率无关地获取与从地球发射的电磁能量有关的以卫星通信为 目的的信息。

在一个实施例中，观察卫星的至少一个接收天线适于接收具有以下中的 至少一者的电磁能量：线性极化；垂直极化；水平极化；椭圆极化；以及圆 极化。本实施例是有利的，因为对于获取与接收到的电磁能量的极化有关的 信息可能是有用的。

在一个实施例中，观察卫星的至少一个接收天线被配置为在一个轨道周 期期间，从覆盖了大于地球表面的一半的区域接收电磁能量。

在一个实施例中，所接收到的电磁能量不仅包括意图用于控制所述卫星 自身的信息。观察卫星的实际目的在于收集与意图针对观察卫星以外的卫星 的信号有关的信息。观察卫星的目的是收集与上述的所谓目标卫星的信号有 关的信息。

在一个实施例中，所接收到的电磁能量包括意图用于至少一个其它卫星 的能量。用于控制观察卫星自身的信号可以在特定的频带、或通过将在后说 明的其它方式来传输。因此，在本实施例中，通过观察卫星接收到的电磁能 量并非针对观察卫星的控制信号。

在一个实施例中，观察卫星在具有大于175°(175度)且小于185°(185度) 的倾角的轨道绕地球运行。在这种轨道上，观察卫星在特别有利的轨道移动 以接收在对地静止轨道的方向传送的电磁能量。

在一个实施例中，观察卫星在最高点相对于对地静止轨道相差不超过 4000公里的轨道绕地球运行。在该轨道中，观察卫星能够接收与到达对地静 止轨道的实际电磁能量密切相关的电磁能量。因此，这使得观察卫星获得数 据，以提供对到达对地静止轨道的实际电磁能量的良好的估计。

在一个实施例中，观察卫星在具有以下中的任一个最高点的轨道绕地球 运行：在平均海平面以上31700和34700公里之间；以及在平均海平面以上 36700和39700公里之间。在该轨道上，基于当前的在轨物体的公共目录，与 对地静止卫星自身和包括空间碎片的常驻空间物体(RSO)的碰撞风险进一步 减小。

在一个实施例中，观察卫星在具有小于0.05的偏心率的轨道绕地球运行。

在一个实施例中，观察卫星自身不是为了将终端用户信息从地球的一点 中继到地球的另一点的通信卫星。因此，在本实施例中，观察卫星独立于现 有的通信卫星操作。因而，观察卫星作为独立的实体也提供用以在沿弧的空 轨道位置监视现有对地静止轨道卫星之间的频谱的能力。这允许在将卫星资 产部署到给定位置之前估计频谱环境，其中该估计可以告知频谱规划以及编 队部署决策。这表明，在一些实施例中，观察卫星可以以超越干扰管理的方 式使用。

在一个实施例中，观察卫星的传送器被配置为利用以下中的至少一者， 来传送所接收到的电磁能量的至少一部分、或者表示所接收到的电磁能量的 至少一部分的信息、或者从所接收到的电磁能量的至少一部分推导出的信 息：(a)使用特定的专用微波频率的下行链路；(b)使用能够动态调整传送器的 传输频带的传送器的下行链路；(c)低水平扩展频谱；(d)至少一个光通信链路； 以及(e)存储与转发方法。

在一个实施例中，所述卫星还包括：与至少一个接收天线连接的接收器， 所述接收器具有足够的频谱灵活性和能力以在所述射频频谱的宽范围内被 重新配置为不同频率。

本发明还涉及一种卫星，用于获得与从地球上的一个或多个源发射的电 磁能量有关的信息，所述卫星在倾角大于90°(即90度)且小于270°(即270度) 的轨道绕地球运行；并且所述卫星包括：接收部件，用于在所述卫星相对于 地球表面沿轨道运行时，使用具有指向地球的接收模式的至少一个接收天 线，从地球上的一个或多个源接收在射频范围内的电磁能量，以及传送部件， 用于以下中的至少一者：(i)重新传送所接收到的电磁能量的至少一部分，(ii) 传送表示所接收到的电磁能量的至少一部分的信息；以及(iii)传送从所接收 到的电磁能量的至少一部分推导出的信息。

在一个实施例中，一起使用上述多个卫星，以获得与从地球上一个或多 个源发射的电磁能量有关的信息。

本发明还涉及一种用于操作上述一个或多个卫星的方法。

本发明还涉及一种系统，包括：根据前述实施例所述的至少一个观察卫 星，至少一个地面站，其被配置为从所述至少一个卫星获得所接收到的电磁 能量、或者表示所接收到的电磁能量的信息或从所接收到的电磁能量推导出 的信息，以及至少一个处理站，其被配置为根据所述至少一个地面站所获得 的所接收到的电磁能量、或者表示所接收到的电磁能量的信息、或者从所接 收到的电磁能量推导出的信息，估计以下中的至少一者：(a)所接收到的电磁 能量的至少一部分的组成；(b)所接收到的电磁能量的至少一部分的起源在地 球上的位置；(c)到达对地静止轨道的至少一部分的所接收到的电磁能量的水 平；以及(d)上行链路传输的至少一个特征。

在上述系统中，处理站位于地球上。然而本发明不限于这样的配置。如 上所述，该处理也可以例如全部或部分在观察卫星或其它卫星中进行。

在采用多个观察卫星的情况下，可以提高所接收到的电磁能量的量。此 外，响应时间，即从系统请求行动到相应回答的时间可以减少。

本发明还涉及一种方法，包括：通过至少一个地面站，获得来源于卫星 (如上所述，这里称为“观察卫星”)的信号，所述卫星在倾角大于90°且小 于270°的轨道绕地球运行；并且所述信号输送以下中的至少一者：(i)所述 卫星接收到的电磁能量，(ii)表示所述卫星接收到的电磁能量的信息，以及(iii) 从所述卫星接收到的电磁能量推导出的信息，以及通过至少一个处理站，根 据所述至少一个地面站获得的所接收到的电磁能量的至少一部分、或者表示 所接收到的电磁能量的至少一部分的信息、或者从所接收到的电磁能量的至 少一部分推导出的信息，估计以下中的至少一者：(a)所接收到的电磁能量的 至少一部分的组成；(b)所接收到的电磁能量的至少一部分的起源在地球上的 位置；(c)到达对地静止轨道的至少一部分的所接收到的电磁能量的水平；以 及(d)上行链路传输的至少一个特征。

在上述方法中，处理站位于地球。然而如上所述，本发明不局限于这种 配置。该处理也可以例如全部或部分在观察卫星或其它卫星中进行。

在一个实施例中，估计所述位置包括估计经度和纬度。采用这种方式， 可以确定电磁能量的起源(即，源)的位置。于是，电磁能量的源的确定使得 能够例如由卫星操作者联系发射站的操作者以停止传输、或由发射站的操作 者对故障或失调的装置进行必要的修理来去除干扰。

在一个实施例中，估计所接收到的电磁能量的至少一部分的起源在地球 上的位置包括：估计干扰源的位置。

在一个实施例中，估计上行链路传输的至少一个特征包括估计以下至少 一者的上行链路模式：地球上的天线；以及地球上的天线的组。

本发明还涉及用于操作观察卫星的方法，涉及观察卫星用于上述目的的 用途(即用于估计：(a)所接收到的电磁能量的至少一部分的组成；(b)所接收 到的电磁能量的至少一部分的起源在地球上的位置；(c)到达对地静止轨道的 至少一部分的所接收到的电磁能量的水平；以及(d)上行链路传输的至少一个 特征)。

附图说明

结合以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1示意性地示出卫星经历干扰的示例性场景；

图2示意性地示出卫星经历干扰的另一示例性场景；

图3示意性地示出获取地面传输的地面站干扰卫星的操作的示例性场 景；

图4示意性地示出本发明一个实施例中处于逆行轨道的观察卫星和其它 卫星；

图5示意性地示出本发明一个实施例中处于逆行轨道的观察卫星和其它 卫星；

图6示意性地示出本发明一个实施例中的高倾斜、即在逆行轨道中的卫 星；

图7示意性地示出本发明一个实施例的观察卫星的组成；

图8示意性地示出本发明一个实施例的观察卫星负载的组成；

图9示意性地示出本发明一个实施例的处理站的组成；

图10示意性地示出从卫星经由中继进行传输；

图11示意性地示出本发明一个实施例的方法；和

图12示意性地示出本发明一个实施例的方法。

具体实施方式

现结合具体实施例对本发明进行说明。具体实施例有助于为本领域技术 人员提供更好的理解，但不是为了以任何方式限制由所附权利要求所定义的 本发明的范围。尤其是，在不相互排斥的范围内，在整个说明书中独立地描 述的实施例可以组合以形成其它实施例。

为了理解本发明一些实施例所解决的问题，图1示意性示出卫星30在对 地静止轨道(图1中标记的“地球轨道”)上绕地球运行。

卫星30从地面站60接收上行链路信号(图1中标记为“上行链路”)(例如 要朝向地球上的另一点中继的语音或数据)。此外，由于例如错误指向的卫 星盘(即，错误指向的天线)或因为地面站50的天线的辐射模式的指向性不足 (例如因为它的主瓣太宽，因为旁瓣偶尔处于卫星30的方向，或因为发射功 率太高)，因而另一地面站50向卫星30的位置发射电磁能量(图1中标记为“干 扰载波”)。从地面站50发射的电磁能量可能意图用于相邻卫星，但一部分 到达卫星30。从地面站50发射的电磁能量看起来像是对于对地静止卫星30的 干扰。该干扰可能通过在例如数据吞吐量、可用带宽、给定应答器上的可用 功率、噪声下限稳定性等方面例如减少卫星链路的可用容量，干扰卫星30的 正常运行。

在图1中，卫星30的轨道(如虚线所示)和地球表面的曲度(如实线所示) 之间的距离是示意性而不是按比例的。同样，所绘制的地面站和卫星也不是 按比例的。这些描述同样适于图2、3、4、5、6和10。

为了理解本发明一些实施例所解决的问题，图2示意性示出卫星经历干 扰的另一场景。

在这种情况下，地面站60向沿低于卫星30的轨道运行的卫星31发射上行 链路信号。例如，卫星31处于低地球轨道(LEO)或中地球轨道(MEO)，卫星 30处于对地静止轨道。虽然上行链路信号不是意图用于卫星30，但是自从从 地面站60看到的卫星30、31至少在一个时间点位于相同的线，携带上行链路 信号的电磁能量到达卫星30。因此，卫星30可能会经历干扰。卫星31在高于 卫星30的轨道运行时，可能出现同样的问题。在例如Thomas J.Lang的 “Conjunction/Interference Between LEO and GEO Comsats”中有这种情况。 发表在1997年8月4-7日在爱达荷州的太阳谷召开的AAS/AIAA航天动力学专 家会议论文集的AAS论文97-668页。

为了进一步理解本发明一些实施例所解决的问题，图3示意性示出可能 干扰卫星操作的另一场景。

例如在移动通信系统中使用的基站61，向移动装置或其它基站广播信 号。该传输偶尔被地面站60捕获。换句话说，地面站60在向卫星30发射的上 行链路上无意中包括该传输。因此，卫星30接收到的电磁能量不仅包括用于 卫星30的上行链路信号，也包括一部分不用于卫星30的信号。

通过频谱分析已认识到这种干扰现象的发生。事实上，例如，过去已证 实，如通过清楚显示定时校正突发的频谱分析所证明的那样，GSM转播可能 发生。事实上，在GSM中，每第十帧之后发出定时突发。由于每个GSM帧 是4.615毫秒，每46.15毫秒看到该定时突发。在某些状况下，例如，如果移 动通信发射塔(基站)接近VAST上行链路天线(如彼此相距几百米)，就可能会 发生这种情况。于是，VSAT上行链路天线容易捕获和朝向对地静止轨道重 新传送来自移动通信发射塔的信号。

目前，已参考图1至3解释了一些示例性的干扰场景，本发明实施例将进 行更详细的描述。

在一个实施例中，观察卫星10用于获得与到达卫星30(例如对地静止卫 星)或更一般的、到达轨道或轨道组的电磁能量有关的信息。在这方面，图4 示意性地示出处于逆行轨道的观察卫星10(尽管也可以用多个观察卫星10)， 从观察卫星10接收传输并向观察卫星10发射控制信号的地面站20，处理所接 收到的传输的处理站40，处于对地静止轨道的卫星30，向卫星30发射的上行 链路信号的发射站60，以及偶尔向卫星30发射的电磁能量的传输站50。在图 4的示例中，假设卫星30处于对地静止轨道，但本发明不局限于这个场景。

沿逆行轨道绕地球运行的观察卫星10能够从地面站50、60接收传输。此 外，观察卫星10向地面站20发射关于所接收到的电磁能量的信息。然后在处 理站40使用该信息进行处理，例如获得各种信息。例如，处理站40可以确定 干扰地面站50的位置，以便能调整地面站50的卫星盘或能够适应卫星30的天 线的接收模式，以避免接收到来自地面站50的不期望信号(例如通过在干扰 地面站50的方向产生无效)。

图5示意性地示出观察卫星10在高于对地静止轨道而非低于对地静止轨 道的高度绕轨运行的结构。此外，在图5所示的结构与图4所示的结构类似。

现在对观察卫星10使用逆行轨道的优点进行更详细的解释。

逆行轨道

为了实现具有频谱感测能力的卫星(即，观察卫星)的最大价值，本发明 的一些实施例将感测覆盖范围扩展到尽可能多的卫星。通常，卫星在给定轨 道相对于其它卫星的运动需要消耗燃料，从而导致寿命缩短、航天器的成本 增加、或者相对漂移的速度慢。理论上，如果卫星不断耗费燃料，则该卫星 可以在适当的高度相对于其它卫星很快地沿轨道运行。然而，这是不现实的， 甚至以目前的技术是不可行的。因此，在保持有利的位置高度的情况下，可 能的漂移率会是如此缓慢的速率以至于严重限制系统的价值。然而因为编队 部署和频谱发展在长的时间范围内操作，由于可能需要数月将资产重新部署 在所需的轨道位置，缓慢漂移率也阻碍其作为适于有源通信传输的响应性的 操作监视平台，因而缓慢的漂移率可能适合更有策略性的增值需要。由于这 个原因，并且为了最大化所服务的卫星的数量，对观察卫星10提出的解决方 案是在对地同步高度附近的替代的逆行轨道中操作，从而与地球绕其轴线的 自然转动相反地绕轨运行。逆行轨道在这里理解为具有大于90°且小于 270°的倾角的轨道。

使用沿逆行轨道运行的卫星是众所周知的，但其它应用和配置则不是已 知的。例如，US2008/0081556A1涉及为了观测和监视卫星而在逆行轨道布置 卫星。

优选地，逆行轨道的倾角在175°和185°之间，以使得观察卫星10靠近 赤道平面来移动。如图6所示为逆行轨道另外的示意图。这个轨道具有相对 于对地同步卫星30连续和自然运动的优点，并为每个感兴趣的对地同步航天 器提供合理的飞越频率。逆行轨道允许在不需要消耗大量的燃料的适当的高 度进行测量。更具体地说，逆行轨道允许所期望的重访率和如自然运动那样 的优点，以使得所需的燃料仅是在卫星的寿命中实现并保持轨道所要求的燃 料(类似于其它卫星)。为了提供与在该高度的其它卫星连接的安全缓冲，该 高度优选与对地静止卫星30类似，与卫星30相比加减至多几千公里。高度对 于观察卫星10的感测操作很重要，因为在相似的高度允许观察卫星10监视与 对地静止卫星30所接收到的相同的传输、或几乎相同的传输。如果航天器的 高度太高或太低，就可能会错过(来自地球上具有低仰角的天线的)一些传输 信号，并且可能会收到不想要的微波能量。

当观察卫星10的高度与对地静止卫星30大约相同、即观察卫星10例如沿 具有与对地静止轨道的高度差不超过4000公里的轨道绕地球运行时，轨道周 期维持在大约每二十四小时一个卫星环绕。然而，由于地球的旋转和对地静 止卫星的轨道会大小相等但方向相反，因而观察卫星10每二十四小时经过每 个对地静止卫星约30次。也可以将轨道描述为具有180度的倾角的同向对地 同步类型。因而，各对地静止卫星30处的快速的到达频率和跨整个弧的广泛 覆盖，使得具有微波感测能力的单一观察卫星10能够服务整个编队。

由于在传统的对地静止卫星通信的感测中逆行轨道是没有用的，因而几 乎未进行过逆行发射。由于需要反转地球自转所提供的动量以实现在相反方 向的轨道，因而从地球表面发射逆行卫星需要额外的能量。

最简单的发射方法是从地球表面向西发射，用另外的冲力在逆行方向达 到必要的速度增量(delta-v)。然而，由于大多数的发射是顺行的，因而发射 站点是针对有利的向东发射的条件(大部分直接朝向东)来定位的。另外的方 法是更传统的向东发射到超同步转移轨道，并利用航天器上的推进器来将倾 角随时间增加到180度。然而，不应将这些发射视为实现这种轨道的仅有的 手段。

另一发射方法是利用月球来进行月球摆动(swing-by)并相对于地球的旋 转“反转”方向，例如以下所述，Aravind,R.等人的“Mission to Retrograde  Geo-equatorial Orbit(RGEO)using lunar swing-by”，在2012年IEEE航空航天 会议论文集(2012年3-10月)第1-8页。

卫星组成

图7示意性地示出本发明一个实施例的观察卫星10的组成。观察卫星10 及其装置可以基于已有的航天器总线来建立，其中航天器总线包括电力、动 力、控制、热力以及其它子系统。专用负载(即装置)可以包括以下主要的子 系统组件：实现基于空间的地理定位所需的仅接收阵列11和控制组件12(控制 单元)；频谱处理和分析硬件；通信子系统13(图7中标记为“COM”)，从地 面接收命令并下载所处理的数据(用于传输所需的临时存储数据)与遥测；以 及推进系统14。由于该推进子系统对于实现预定轨道具有重要意义，将基于 发射方法具体地描述该子系统。然而，观察卫星10可以不包括上述所有的子 系统，在其它实施例中可以包括另外的子系统。

天线11具有指向地球的接收模式，并且适于接收处于射频范围内的电磁 能量。所接收到的电磁传输可以包括有意发射的信号和/或类似噪声的传输。 优选地，天线11适于在通信卫星的使用范围内接收传输，如L带(1至2GHz)、 S带(2至4GHz)、C带(4至8GHz)、X带(8至12GHz)、K_u带(12至18GHz)、和 K_a带(26.5至40GHz)。天线11可能适于接收具有任何极化类型(例如，线性、 垂直、水平、椭圆和圆)或只有某些极化类型的电磁能量。此外，在观察卫 星10正确定位即观察卫星10绕地球稳定地运行的情况下，接收模式指向地 球。

此外，控制单元12可以获得关于所接收到的电磁能量的调制方案的信息 (如相移键控、正交幅度调制、时分多址、码分多址、频分多址)。

为了观察卫星10与地面之间的包括命令载波、遥测和数据下载链路的通 信，例如可以采用以下技术：

(a)使用特定的专用微波频率对数据进行下行链路处理。为了避免造成干 扰，典型的数据下行链路频率与分析通信卫星30所通常使用的频率不同。

(b)使用能够动态地调整其传输频带的射频传送器对数据进行下行链路 处理，以避免由于观察卫星10移动而干扰到邻近的卫星。这可以是预先安排 的顺序或自主的顺序。

(c)使用低水平的扩展频谱传输。利用已经(或不)使用的频谱并在非常低 的水平传输信号。每兆赫的数据率有很大降低，但会导致负的载噪比(C/N)， 因此对在相同的频率发射的任何业务的影响最小。

(d)光通道。在这种情况下，由于云或其它天气现象可能中断光链路，可 能需要一个以上的地面站20来确保稳定的下行链路通信。

(e)存储与转发方法，使用以上任意方法可存储来自轨道的其它部分的数 据，并随后在轨道的不同部分(例如在已使用的频率范围较少并可以实现高 数据吞吐量处)进行下行链路处理。

关于来自观察卫星10的下行链路通信，可以通过如下来使用上述任意方 法：

(1)“宽”区域传输，从卫星的优势点覆盖部分或整个地球。

(2)装载的用于跟踪多个地面站的小波束跟踪天线，从而使功率/吞吐量 最大化，同时精简协调性，并提高数据安全性。

(3)到作为中继的其它卫星的传输链路。

第三个替代方法在图10中示意性地示出。观察卫星10使用中继卫星31向 地面站20发射下行链路传输。更具体地，观察卫星10朝向卫星31发射。在可 能经过一些处理后，中继卫星31向地面站20中继该传输。

图8示意性地示出本发明一个实施例的观察卫星10的组成。在该实施例 中，观察卫星10采用相控阵列天线11接收在C和K_u带的电磁能量。然后将所 接收到的电磁能量转换为适于数字信号处理的常用频率。A/D转换器121将模 拟信号数字化。在FFT单元122中对来自A/D转换器121的信号执行快速傅里 叶处理。在存储到缓冲器131之前，处理单元123可以进一步处理从FFT单元 122输出的信号。经由下行链路天线132，将存储在缓存中的数据发射到地面 站20。

然而，本发明不限于图8所示的示例性实施方式。图8示出的简单实施方 式仅用于示例说明针对一个方法的功能性硬件配置。可以采用许多其它可能 的实施方式。

基于空间的地理定位

基于空间的地理定位的含义是，借助于空间的物体来确定地球表面的位 置。为此，许多可能的定向(DF)技术是可能的。一种可能的机械实施方式例 如涉及旋转航天器直到发射信号处于最强时，以使得航天器的方向平行于所 发射的信号矢量。更复杂的方法具有更复杂的电子和/或机械的步骤。以下描 述一些另外的方法。

从空间中的天然的有利位置，观察卫星10可以观察和监视传输到对地静 止卫星的几乎所有上行链路，并收集与上行链路信号的方向性相关的信息。 在通过通讯卫星接收并重新传送信号后，通常难以从地面确定传入对地静止 卫星的上行链路信号的方向性。

在轨道上，通过直接求解向航空器发射的入射角，能够以比基于地面的 地理定位更直接的方式来实现上行链路位置的确定，给定航空器的姿态和位 置，从而确定地球表面的位置。这种方法由于能直接的测量上行链路的能量， 而不依赖于来自相邻卫星的下行链路信号的频率和时间的多普勒频移，所以 具有比基于地面的地理定位显著的优点，因为它不受数据的外部来源的限 制，是一种更具有鲁棒性的测定方法。这种基于空间的地理定位能力允许对 未经授权的上行链路位置的局部化，其中该位置发射到航空器、造成对已签 约业务的干扰以及对航天器容量的损害。

可以采用多种技术和硬件解决方案来进行基于空间的地理定位。例如可 以考虑四种主要技术分类，即：(T1)通过柔性或可操纵的天线模式、利用上 行链路源的“无效”进行的定向(DF)，(T2)通过检查入射信号频率中的频率 偏移或改变的到达频率(FoA)或多普勒分析，(T3)通过比较两个以上天线元件 之间的接收信号(相位、振幅等)的到达角(AoA)分析，以及(T4)通过在多元件 阵列中跨元件的冲击信号的相关来进行的频谱估计。

(T1)DF技术通常利用天线的增益特性来确定冲击信号的承载。通过在给 定方向上的天线的增益变化，无论是用机械运动还是电子方式，通过天线所 接收到的传输信号的特性都可以变化，从而提供一些对发射信号源的性质的 理解。例如，通过天线相对于采用框架或自然运动的发射信号源的相对运动， 或采用电子操纵的天线阵列的天线增益模式的动态变化，可以实现在给定方 向的增益变化。DF技术是成熟的，已有许多硬件实施方式来实施这些技术的 各种应用。

在一个示例中，DF技术通过装备具有高增益斜率特性的一个或多个天 线的观察卫星10，可应用于上行链路传输的基于空间的地理定位，并且该天 线覆盖如观察卫星10看到的部分地球表面。在轨道上的任何给定点，观察卫 星10的天线模式可以绕地球表面机械或物理地移动，以“寻找”干扰载波。 可以刻意地控制或可以用重复模式处理这种运动，来提供整个地球的覆盖范 围。与参考水平相比，随着模式转变的信号水平的连续监视提供对接近和远 离目标信号的足迹的精确测量。利用天线模式自身、天线模式的运动和航空 器的姿态的足够知识，可以确定朝向干扰信号源的矢量并计算在地球表面上 的起源。由于该技术依赖于直接的能量测量(而不是在传送器进入或离开模 式‘无效’时所能量的缺乏的测量)，这样的系统具有鲁棒性并应用于广泛 的上行链路信号。

最灵活的硬件解决方案之一是，使用有源相控天线阵列来使处于地球表 面的足迹模式电子转向。这具有无机械移动部件的优点，并可进行多种搜索 功能(重复模式、专用搜寻等)。如上所述的第三种技术的其它类型的硬件实 施方式包括，在航天器上机械地移动或旋转的小点波束天线或天线簇，或者 随着航天器以滚动、俯仰、偏航或它们的一些组合的方式来章动的固定天线 或天线簇。

(T2)通过对到达频率或多普勒进行分析，可以执行基于空间的地理定 位。由于观察卫星10与发射站50之间的相对运动，在观察卫星10上的天线所 接收到的信号的频率可以相对于发射站50发射的真实频率偏移。此外，由于 轨道的几何形状，也可以改变多普勒引起偏移的改变率。通过将已知的参考 与频率偏移比较，或通过比较航天器装载的两个元件之间的频率偏移，或通 过分析观察卫星测量出的频率偏移的改变率，可以推导出对地球表面的可能 的原始位置的理解。由于观察卫星10在逆行轨道的高相对速度，频率偏移对 于观察来说可能尤为重要。

观察卫星10将需要至少一个但可能具有大于一个的接收天线，来执行这 种方法。由于这种方法很大程度上取决于对发射信号的频率分析，对装载天 线模式、增益和操纵能力的要求很少。此外，值得注意的是，这种基于空间 的地理定位技术依赖于稳定的发射频率或发射频率的已知变化等，从而不将 真实频率的变化感知为由于相对运动引起的多普勒变化。

(T3)由到达角分析基于空间的地理定位，可以利用装载在航天器上的、 在地球表面具有重叠的天线模式的多个天线。两个天线元件之间的参考测 量，举一个简单的例子，可以是获得关于信号的到达角的基本信息的一种方 式。考虑具有重叠但不完全相同的接收模式的两个天线，使得由两个天线所 接收到的同一信号被以不同方式接收并处于不同功率水平。通过对两个天线 元件的接收特性的知识，可以确定对可能的到达的方向的粗略了解，因为只 有一小部分可能的方向向量会引起两个天线元件的观察信号。这个过程采用 更复杂和更大数量的天线，能够细化与提高可用度。

通过用一个或多个元件来测量给定信号的幅值和/或(更常用的)相位，并 比较彼此之间或与参考测量之间的差异率，可以确定对天线上的源的入射角 的理解，并可以推导出发射源的起源。在这种情况下，天线功能的高增益、 高斜率和差滚动性能，对实现高的分辨率和测量精度是有利的。该技术的实 现相对简单，可以为范围广泛的上行链路信号提供鲁棒性测量。

(T4)频谱估计技术取决于采用阵列中多个元件对冲击观察卫星10的信 号源的测量。其结果是，到达技术的频谱估计方向，需要装载在观察卫星10 并指向地球的、配置为复杂阵列的多个天线元件，使得天线增益模式重叠且 元件根据感兴趣目标信号具有合适的间距。

可以对幅度的测量和给定频率的跨各元件的入射信号的相位进行相关， 以产生入射信号的组成的估计，即阵列上的入射角。可以依次统计许多测量， 通过平均来提高信号的特征。通过使用诸如多重信号分类(MUSIC)的子空间 方法进行数学密集型处理，可以进一步提高性能。虽然计算代价昂贵，并需 要足够大的天线阵列，但采用一些相关方法，可以提供多个入射信号的同时 到达的方向的高逼真度的估计。对观察卫星10的天线阵列、方向和位置的足 够的知识，可以进行基于空间的地理定位，作为地球表面能够推导出的每个 入射信号的起源。

最优解实际上可能包括多个上述的技术，使用相同的航天器硬件确实可 以兼容一些技术来进行分析。多种技术输出的合成以及对观察卫星10移动与 给定信号入射角改变的顺序分析的合成，可能产生更优的性能。

除了技术(T2或T3)中的某些多普勒偏移测量，值得注意的是，基于空间 的地理定位不依赖于航天器的逆行(高相对速度)运动；与之不同的是，逆行 运动会有相对迅速的响应时间和覆盖范围，以对在给定高度沿前进方向绕轨 道运行的每个卫星进行基于空间的地理定位。

在一个实施例中，如图10所示，使用分级航天器或多个航天器协同工作， 在一定程度上扩展多个卫星之间合作的概念。例如，在一个实施例中，使用 包括多个观察卫星的系统。这可能使用各具有至少一个天线元件的较小航天 器，在一定的距离同时进行测量，然后将这些信号传递到较大航空器。航空 器也可以大小相同。进行基于空间的地理定位的优点是，具有间隔很远的天 线(即合成孔径干涉)，并且它们不需要处于同一个航天器上。

采用观察卫星进行基于地面的地理定位

在一个实施例中，传统的基于地面的到达时间差(TDOA)处理或到达频 率差(FDOA)处理，被用作涉及观察卫星或卫星的地理定位技术。也就是说， 将观察卫星作为相对于目标卫星的第二卫星，用于TDOA-FDOA测量，或者， 将两个接近的观察卫星用来进行信号的基于地面的TDOA-FDOA分析。这涉 及到上述情况(i)、(ii)或(iii)或它们的任意组合(即，如上所述，至少所接收到 的电磁能量，代表所接收到的电磁能量的至少一部分的信息，或从少部分所 接收到的电磁能量推导出的信息)下，从(多个)观察卫星到地面对应发射数 据。

这种技术与现有的基于地面的地理定位技术相同，但该技术涉及在逆行 轨道上的一个或多个观察卫星，逆行轨道是专门用于协助信号分析和确定上 行链路信号的起源。在这个意义上，该技术也被称为“基于空间的、基于地 面的地理定位”。

系统组成

除了观察卫星10，本发明的一个实施例的系统可以包括基于地面的设施 和通信，以向地面中继处理过的数据。围绕地球的具有跟踪天线的几个地面 站20，执行遥测、跟踪和通信(TT&C)功能，并接收来自观察卫星10的数据。 观察卫星10在接近对地静止轨道的高度，从地平线到地平线的时间约为四小 时，这在现有的天线系统的合理速度内。至少有三或四个地面站20需要与观 察卫星10保持不断的通信。除了传统的航天器的指挥和控制，地面站20也向 观察卫星10发射任何必要的负载命令或查询，指示感测操作以产生用户所期 望的特定的测量。

通过观察卫星10下载的数据可能很大，并且对地面上的接收和数据存储 链的规模进行适当调整，以通过传统的解调与解密接收链，来处理来自观察 卫星10的连续的数据流。可以将数据存储在一个或多个处理站40，在卫星接 收面积改变时依次从各地面站20获取。根据装载的处理实施方式和采用的地 理定位技术，在集中的数据中心进行处理的另外层，以产生期望的输出和数 据格式。前端接口可以允许用户通过地面站20将负载命令用于观察卫星10， 以及允许访问所接收和所处理的数据。

图9中示意性的示出本发明一个实施例的处理站40。如图4所示，处理站 40位于地球。然而，如上所述，由于还可以在观察卫星10或另一卫星内进行 一些另外的或可替换的处理，在观察卫星10或另一卫星内同样的功能和/或单 位也可以结合，在某种程度上这是必要的。

处理站40包括处理单元41，与处理单元41连接的存储单元42，以及与处 理单元41连接的通信单元43。

处理单元41包括处理器、微处理器，或能够解释并执行指令的处理逻辑， 如同本文中描述的那些(例如参考图11)。可以响应于处理单元41执行包含在 计算机可读介质如存储单元42中的软件指令，来进行这些操作。在存储单元 42所包含的软件指令，可能会导致处理单元41执行这里所描述的操作或流 程。另外，硬件电路可以用来代替或与软件指令组合，来实施这里所描述的 流程和/或操作。因此，这里所描述的实施方式，并不局限于任何特定的硬件 和软件的组合。

存储单元42被配置为存储来自一个或多个观察卫星10的传输。存储单元 42可以包括RAM或其它类型的动态存储装置，可以存储信息和处理单元41 所执行的指令。存储单元42还可以包括ROM装置或其它类型的静态存储装 置，可以存储静态信息和处理单元41所使用的指令。存储单元42还可以包括 磁性和/或光学记录介质及其相应的驱动。

通信单元43被配置为与一个或多个地面站20通信。通信装置43可以包括 任何类收发机制，用于使处理站40与其它装置和/或系统通信。

存储单元42可以存储加载到处理单元41的计算机程序，包括用于执行根 据本发明的实施例描述的方法步骤的代码。虽然没有说明/为了简明起见，总 线-包括允许处理站40的组件之间通信的路径-，输入装置-包括允许操作员 向处理站40输入信息的机制，如小键盘、键盘、鼠标、笔、语音识别和/或生 物认证机制等，-以及输出装置-包括向操作者输出信息的机制如显示器、打 印机、扬声器等，-还可以包括处理站40。

图11是一个实施例中由系统执行的方法的流程图。在步骤S11中，至少 一个地面站20从沿具有大于90°小于270°倾角的轨道(即，在逆行轨道)运行 的观察卫星10推导出信号，并输送至少一个：(i)表示通过卫星接收到的电磁 能量的信息，(ii)通过卫星接收电磁能量，以及(iii)通过卫星从电磁能量推导 出的信息。

在观察卫星10中，通过对所接收到的电磁能量进行数字化和压缩，可以 产生表示所接收到的电磁能量的信息。在最后的选择中，在观察卫星10中， 通过确定所接收到的电磁能量源的位置(如经度和纬度)，可以产生从所接收 到的电磁能量推导出的信息。

在步骤S12中，至少一个处理站40从所接收到的电磁能量或表示所接收 到的电磁能量的信息中估计，或从至少一个地面站获得的所接收到的电磁能 量中推导出，以下至少一种：(a)所接收到的电磁能量的至少一部分的组成； (b)所接收到的电磁能量的至少一部分的起源在地球上的位置；(c)到达对地静 止轨道的至少一部分的所接收到的电磁能量的水平；以及(d)上行链路传输的 至少一个特征。在一个实施例中，地面站20和处理站40可并置或形成单个站。

所接收到的电磁能量的至少一部分的组成，可以包括所接收到的电磁能 量的能量频谱和极化。所接收到的电磁能量的至少一部分的起源在地球上的 位置，可以包括该起源的经度和纬度。到达对地静止轨道的至少一部分所接 收到的电磁能量的水平，有利于确定对地静止轨道的干扰图。上行链路传输 的特征可以包括上行链路传输的调制方案。

图12是本发明一个实施例中由系统执行的方法的流程图。

在步骤S21、S22中，执行即时或预装的配置命令并加载卫星配置。在步 骤S23中，卫星接收上行链路电磁能量。上行链路电磁能量可以，例如，包 括用于其它卫星的能量。在步骤S24中，对所接收到的电磁能量进行频率变 换和频率转换。另外的步骤可以包括模数转换、对所接收到的电磁能量的数 字处理、多种数据源的数据简化或融合、数模转换、频率转换等。

在步骤S25中，发射(例如向地球上的地面站)所接收到的电磁能量的至少 一部分。在步骤S26中将所接收到的电磁能量数字化，并在步骤S27中进行数 字处理。处理过程包括利用已知的处理函数，如快速傅里叶变换、多普勒偏 移分析、多普勒比率分析、到达方向或到达角处理、到达时间差处理、到达 频率差处理、和/或功率、频率、两个以上接收元件或实例之间的实时相位参 考比较。

步骤S27的输出可用于各种处理步骤。在步骤28中，处理后的数据可以 与诸如参考信号的起源和特征、轨道位置、卫星的速度和方向数据的外部来 源合成。然后在步骤S29中，合成数据可以用于在地球表面上的近似位置的 坐标转换和投影。因此，在步骤S30(地理位置)中可以估计传送器的位置。可 替换地或另外地，在步骤S31中合成数据可以使用多种随时间而推进的分析。 因此，在步骤S32中可以推导出天线特征、顺应性测量或频谱环境趋势。

此外，可以通过解调步骤S33中所接收到的电磁能量来进一步处理步骤 S27的输出。因此，有可能进行载波信号分析(步骤S34)。

在本发明的另一个实施例中，可以使用计算机可执行指令来实施上述程 序、步骤或过程中的任何一个，例如用计算机可执行程序、方法等的形式， 用任何一种计算机语言、和/或用固件、集成电路等上嵌入式软件的形式。

尽管已在详细的示例的基础上描述了本发明，但这些详细的示例只是为 本领域技术人员提供更好的理解，而不是为了限制本发明的范围。本发明的 范围由所附权利要求来定义。

在上述任意一个实施例中，观察卫星可能还包括，具有朝向远离地球的 接收模式附加的接收天线，该天线可适于接收在射频范围内的电磁能量。在 这种方式中，观察卫星可能接收向给定的目标卫星输入的(轨道所处的高度 大于观察卫星所绕的轨道)的给定信号，以及由该卫星目标输出的重复的给 定信号。例如，目标卫星可能沿对地静止轨道运行，在这种情况下，观察卫 星的附加的接收天线，可能导向或接近天顶方向-在小于对地静止轨道的高 度提供观察卫星轨道。这种方法的优点是，可以一起使用输入和输出信号， 以抵消误差源(给定信号的任何轻微的频率偏移，例如，否则会导致地理定 位方案的误差)，并使能目标卫星自身的性能的特征。