文献综述（或调研报告）：
在过去的几年中，卫星通信正在不断复苏，几项卫星网络计划已经得到了宣布，其所针对的服务各不相同，包括无线运输、户外移动和物联网等等。卫星网络可以通过向服务不足的地区提供连接来补充地面的移动网络，并且可以提供多播/广播服务。而与此同时，5G也即将进入商用，卫星通信与地面5G的融合成为了通信界讨论的新热点。
为了研究基于LEO的移动通信随机接入上行提前这一课题，我们提出了基本的解决思路：终端根据5G下行主同步序列结合OFDM的CP结构，在下行时频同步阶段时获得TDOA序列和FD序列，结合星历，估计星地距离并预测星地传播时延，作为定时提前量。于是问题相应地转化为：在引入用户侧同步误差后，基于TDOA与FD序列进行地面用户的定位并估计星地距离，以计算上行定时提前量。于是，本文就这一研究思路将国内外与之相关的工作进行了整合，总结归纳了现状与未来的发展趋势，并指出了其中的存在问题。
首先，[1]中讲述了5G与LEO卫星通信相融合的必要性。众所周知，非地面网络（NTN）与地面网络有着很大的不同。它的其中一个特点是由于卫星与地面用户终端的距离较长而造成的传播延迟。另一个特点是，对于LEO来说，它的多普勒频偏和多普勒变化率较大。所以在此背景下，时延补偿与多普勒补偿是亟待解决的问题。而本文的卫星被动测距定位问题的解决再结合卫星星历，能很好地解决上述补偿问题。通常UE的定位信息可以通过使用全球导航卫星系统（GNSS）在UE端得到，但是我们不能假设所有的UE都支持GNSS。所以本课题借助随机接入过程——下行时频同步获得的TDOA和FDOA序列进行定位测距研究是增加系统鲁棒性的解决方案。TDOA和FDOA序列的仿真值可以参考[2]中有关卫星运动与多普勒频率、时延的关系的部分。卫星测距与定位是两个层面的问题，对于定位的精度要求一般很高，但是数十公里的定位误差放在天地背景下所测得的星地测距误差可能不到1公里。在本课题中，主要以定位结果辅助来进行5G随机接入的上行定时提前问题的研究，即估计星地距离、计算星地时延。
对于此类基于卫星的被动定位测距问题，国内外不少人已经提出了相应的解决办法。有不少以TDOA和FDOA测量值作为已知量而开展的工作，这对我的课题研究给予了很大的帮助。在以往的研究工作中，最直接的方法是网格搜索，即列出该问题数学模型下的目标函数，并在解空间中进行逐一的搜索比较以得到最优解。[3]和[4]都是在已知时序信息或多普勒频率的情况下采用了网格搜索法或在此法基础上作出了改进。显而易见的是，虽然网格搜索法的建模简单，问题表述十分清晰，但是，它的计算量很大，低效费时且不支持实时处理。[5]中提出了被动卫星定位的粒子群（PSO）算法，为求解非线性最优问题提供了一种进化计算方法。但是，由于卫星被动定位问题是一个受地球表面方程约束的非线性优化问题，粒子群算法不能直接应用。所以，文中首先通过地球各坐标系之间的简单转化将目标函数化为不受约束的优化问题，之后再应用PSO算法。该算法的优点是原理简易、清晰，程序编写简单。但是在此法下，问题的解容易受到种群数目与大小的影响，极易陷入局部最优解而导致很大的测距误差，并且需要多次迭代，计算量较大。[6]、[7]和[8]中采用泰勒级数法以解决这类被动定位问题。它同样能得到较精确的解，但是过程中计算雅可比矩阵比较困难且容易出错。此外，由于源与卫星的几何位置关系的不同，泰勒级数法最终可能无法收敛。[9]中提出的CHAN算法进行基于TDOA的目标定位是比较成熟的方法。Y.T.Chan等人提出了一种基于多个传感器接收到的到达时延的双曲曲线交点进行源定位的有效方法。这种方法的优点是无需迭代，并且给出了非迭代的显式解，计算复杂度低。它是极大似然的近似实现，具有较优的噪声阈值特性，并在小误差区域附近达到了克拉默-拉奥下界。但是由于其缺乏卫星的建模场景，性能针对我们需要解决的问题有所降低。例如，文中在经过一些合理的近似转化之后最终能够直接写出三维（或二维）的定位坐标，此法在地面网络中能达到较高的定位测距精度，但是放置在卫星场景下，直接求解的结果却与真实解差之甚远。所以我们需要对建模场景、目标函数进行必要的针对性的完善改进。[10]和[11]的前半部分对此算法具体的推导过程进行了更详尽的表述说明。
总的来说，由于非地面网络的特殊性，卫星的被动定位测距问题呈现出与地面的较大的差异。所以，在天地融合背景下的研究工作具有很大的探索空间，卫星通信与5G的融合也会成为未来的一大发展热潮。
参考文献：
[1] O. Kodheli, A. Guidotti and A. Vanelli-Coralli,“Integration of Satellites in 5G through LEO Constellations,”GLOBECOM 2017 - 2017 IEEE Global Communications Conference, Singapore, 2017, pp. 1-6.
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