專利名稱：衛(wèi)星定位方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星陸地定位(satellite terrestrial positioning)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括放置在環(huán)繞地球的中高度軌道(約2 5 0 0 Okm ) 上的導航衛(wèi)星星座。現(xiàn)有技術(shù)中通常將這些導航衛(wèi)星和它們的軌道分別 稱為"ME0衛(wèi)星"和"ME0軌道"(中地球軌道，Medium Earth Orbit )。 MEO衛(wèi)星均勻分布在幾個軌道平面上，從而在地球上的任意點，用戶可 以看到幾個MEO衛(wèi)星，也就是說和它們(至少三個，但是如果用戶想確 定他的高度就是四個)處于直接連線，并由此推導出他自己的陸地坐標。
每個MEO衛(wèi)星攜帶高穩(wěn)定性和精確性的原子鐘，以及向陸地用戶發(fā) 布包括經(jīng)過4交正的時間(相對于7>共參照)和衛(wèi)星位置表(ephemeride ) 的消息的設備的電子部件。根據(jù)從幾個MEO衛(wèi)星接收的這些消息，用戶 通過可見性確定他到不同衛(wèi)星的距離，并由此推導出他的陸地坐標位 置。為了保證MEO衛(wèi)星星座的正常工作，陸地控制中心為每個MEO衛(wèi)星 執(zhí)行軌道和星上時間的測量。該控制中心計算由每個M E 0衛(wèi)星在即將來 臨的時間上廣播的MEO衛(wèi)星的位置表和時間的校正。
這些陸地定位系統(tǒng)的主要缺點是陸地用戶定位的質(zhì)量是基于每個 MEO衛(wèi)星廣播的位置表和校正的時間的質(zhì)量。這樣，在控制中心錯誤或 者MEO衛(wèi)星上的故障之后，可能一個或者多個MEO衛(wèi)星廣播的實際位置、 校正的時間和/或位置表發(fā)生錯誤，由此引起衛(wèi)星可見區(qū)域中所有用戶 的定位錯誤。錯誤最終會由監(jiān)控MEO衛(wèi)星的控制中心檢測到并改正，但 是，其間，正將系統(tǒng)用于重要功能例如導航的某些用戶可能處于非常不 安全的狀況。
已經(jīng)提出了幾種解決方案，用于改變MEO衛(wèi)星的設計并使它們從屬 于外部的時間參照以提高MEO衛(wèi)星發(fā)送的消息的可靠性。然而，在所有 這些解決方案中，MEO衛(wèi)星中的異常的檢測是由地面監(jiān)控站的網(wǎng)絡保證的，地面監(jiān)控站向控制中心發(fā)送關(guān)于這些異常的信息提示，并且這些異 常的改正被委托給所述控制中心。另外，為了有效，這些解決方案使用 通過并行的多個信道永久連接到所述控制中心的至少五十個監(jiān)控站。這 導致了很高的安裝和使用成本。
而且，由陸地監(jiān)控站網(wǎng)絡檢測異常引起在檢索MEO衛(wèi)星位置中精度 的顯著減弱。特別是，對于一特定的MEO衛(wèi)星，所有的距離測量都是從 陸地站執(zhí)行的，因為地球的直徑相對于MEO軌道的直徑來說很小，因此 這些陸地站全都位于縮小的立體角內(nèi)。水平面中的精度由此受到限制， 相應地減少了異常的即時檢測的可靠性。
另外，由這樣的陸地監(jiān)控站網(wǎng)絡執(zhí)行的所有測量受本地效應(對流 層的、電離層的、多徑誤差)的擾亂，因此導致使異常檢測的可靠性降 低的測量誤差，以及在已經(jīng)固定了非常接近這些誤差的容許門限的情況 下產(chǎn)生誤警報的風險。
由陸地監(jiān)控站網(wǎng)絡執(zhí)行的異常檢測的另 一個缺點，源自于在ME0衛(wèi) 星中發(fā)生異常的時刻與用戶最終被警告這個異常的時刻之間的等待時 間。特別是，檢測/通知鏈包括站點的全球網(wǎng)絡、將根據(jù)站點的所有測 量檢測異常的控制中心、向衛(wèi)星廣播警報消息的站點、和在ME0衛(wèi)星上 重復該警報消息的系統(tǒng)。這個冗長而復雜的鏈導致異常發(fā)生與通知用戶 之間的等待時間，這種等待時間很難與最高的運行可靠性需求相容，例 如那些航空領域的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是糾正這些缺點。
為此，根據(jù)本發(fā)明，提供在地球上定位用戶的方法，所述方法利用 位于中高度軌道并且由至少 一 個陸地控制中心管理的多個導航衛(wèi)星，每 個所述導航衛(wèi)星發(fā)送各自的第 一時間和位置信息，特征在于
-由所述陸地控制中心管理的多個參考信標(reference beacon) 分布在空間中，每個參考信標都能夠發(fā)送特定的第二時間和位置信息， 以及特定的無線電信號；以及
-在每個導航衛(wèi)星上
所述發(fā)送的第二時間和位置信息由所述參考信標中的至少 一些
檢測； 根據(jù)所述第一和第二時間和位置信息計算第一值和第二值，該 第一值和第二值分別代表所述導航衛(wèi)星和每個所述信標之間的距離、和
這些距離的變化率；
在所述發(fā)送的無線電信號中出現(xiàn)的多普勒頻率的變化由所述參 考信標測量；
根據(jù)所述多普勒頻率的變化計算第三值和第四值，該第三值和 第四值分別表示所述導航衛(wèi)星和每個所述信標之間的距離和這些距離 的變化率；
對于每個參考信標，比較所述第一距離值和所述第三距離值， 以及所述第二距離變化率值和所述第四距離變化率值； 產(chǎn)生表示所述比較的結(jié)果的信號；以及
所述導航衛(wèi)星至少在所述比較顯示異常的情況下，向所述用戶 發(fā)送該比較結(jié)果信號。
因此，通過本發(fā)明，每個MEO導航衛(wèi)星與所述發(fā)送信標處于單向通 信，并可以以自發(fā)的方式在每個時刻驗證其發(fā)送給用戶的基本信息是正 確的。如果驗證被中斷或者如果顯示關(guān)于該基本信息的偏差，涉及的導 航衛(wèi)星在該基本信息中包括指示所述信息是可疑的(在驗證鏈被中斷或 者檢測到的偏差很明顯但可接受的情況下)或者是錯誤的。因此用戶可 以立刻或者忽略來自該對應的導航衛(wèi)星的信息，或者減小在位置計算中 分配給該對應導航衛(wèi)星的權(quán)重。
所述參考信標可以，至少一部分，布置在地球上，或者優(yōu)選，布置 在高軌道(例如，約40000km)中的衛(wèi)星上。在后一種情況下，有利的 是所述信標承載衛(wèi)星是與地球同步的，從而由所述控制中心來看恒定保 持。在高軌道不是與地球同步的情況下，提供幾個站點，圍繞地球分布 并鏈接到所述控制中心。
根據(jù)本發(fā)明， 一種MEO衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括位于中高度軌道并且由至 少 一個陸地控制中心管理的多個導航衛(wèi)星，每個所述導航衛(wèi)星包括原子 鐘、由所述陸地控制中心發(fā)送的遙控指令的接收器-解碼器、鏈接到所 述時鐘和所述接收器-解碼器的第一時間和位置信息的產(chǎn)生器、和向所 述用戶發(fā)送所述第一信息的發(fā)送器，其特征在于
-所述系統(tǒng)包括分布于空間中并且由所述陸地控制中心管理的多個 參考信標，每個信標能夠發(fā)送第二時間和位置信息，以及無線電信號；并且
-每個導航衛(wèi)星還包括
用于接收由所述參考信標中的至少一些發(fā)送的所述第二信息的 裝置，所述接收裝置測量由所述參考信標發(fā)送的所述無線電信號中出現(xiàn) 的多普勒頻率的變化；
用于解碼由所述接收裝置接收的所述第二信息的裝置； 計算裝置，接收由所述解碼裝置解碼的所述第二信息、所述多 普勒頻率的變化和由所述產(chǎn)生器發(fā)送的所述第一信息，所述計算裝置
* 一方面根據(jù)所述第一和第二信息，另一方面根據(jù)所述多普勒 頻率的變化計算所述第一值、第二值、第三值和第四值；
*對于每個參考信標，比較所述第一距離值和所述第三距離 值，以及所述第二距離變化率值和所述第四距離變化率值；以及
*將比較的結(jié)果尋址到(address)所述產(chǎn)生器，從而后者可 以把它們結(jié)合到所述第 一信息中。
計算裝置用來判斷導航數(shù)據(jù)的質(zhì)量和安全性的判決邏輯可以如下 -如果所有數(shù)據(jù)都在預先確定的規(guī)定界限之內(nèi)，那么計算裝置把這 個事實發(fā)信號給MEO衛(wèi)星的導航幀產(chǎn)生器，該導航幀產(chǎn)生器在發(fā)送給用 戶的導航信息中結(jié)合一消息，信號通知ME0衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)是正確的，
-如果與信標的鏈接不夠(沒有足夠的可用信標或者不足的鏈路預 算)，那么數(shù)據(jù)是存在疑問的，并且計算裝置把這個事實發(fā)信號給導航 幀產(chǎn)生器(第一信息)，該導航幀產(chǎn)生器在發(fā)送給用戶的導航信息中結(jié) 合一消息，信號通知MEO衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的質(zhì)量是未經(jīng)證實的并因此是可 疑的，
-最后，如果從信標接收的多普勒信號和/或ME0衛(wèi)星距這些信標的 距離與MEO衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)不一致，那么計算機把這個事實發(fā)信號給導航 幀產(chǎn)生器(第一信息)，該導航幀產(chǎn)生器在發(fā)送給用戶的導航信息中結(jié) 合一警報消息，信號通知ME0衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)是錯誤的。
尋址到所述計算裝置的所述第一信息可以直接在所述第一信息產(chǎn) 生器的輸出處取樣。然而，為了保證最終發(fā)送的信號的質(zhì)量是好的，還 可以在每個導航衛(wèi)星中提供輔助接收器-解碼器，用于接收和解碼由所 述發(fā)送器發(fā)送的所述第一信息，所述輔助接收器-解碼器將所述第一信 息尋址到所述計算裝置。本發(fā)明還包括諸如如上所述的導航衛(wèi)星。


附圖將說明本發(fā)明可以實施的方式。在這些附圖中，相同的附圖標 記指示相似的元件。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的衛(wèi)星定位系統(tǒng)概略和局部的視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的導航衛(wèi)星的電子設備的示意圖。
具體實施例方式
示意性地和部分地顯示于圖1的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括 -導航衛(wèi)星l，稱為ME0衛(wèi)星，沿著圍繞地球T的中高度軌道2(ME0 軌道)運行并裝備有天線系統(tǒng)3;和
-陸地控制中心4，裝備有天線系統(tǒng)5。
以已知的方式，在每個MEO衛(wèi)星1上是設備6的電子部件(參見圖 2),能夠通過天線系統(tǒng)3的適當部分3. 1接收由控制中心4發(fā)送的遙 控指令，并通過天線系統(tǒng)3的適當部分3. 2向位于地球T上的用戶發(fā)送 定位信號。以同樣已知的方式，所述設備6的電子部件包括鏈接到天線 部分3. 1的遙控指令的接收器-解碼器7、原子鐘8、從接收器-解碼器7 和鐘8接收信號的導航幀產(chǎn)生器9,以及無線發(fā)送器IO,該無線發(fā)送器 IO從產(chǎn)生器9接收導航幀(經(jīng)過校正的時間和衛(wèi)星位置表)并通過天線 部分3. 2將它們尋址到用戶。
根據(jù)本發(fā)明，圖1的衛(wèi)星定位系統(tǒng)還包括參考信標11,裝備有用于 發(fā)送無線載波的天線12,該無線載波具有包括它們的位置(以三維坐標 或者以衛(wèi)星位置表的形式)的消息和時間參考信號，并且以一脈沖重復 頻率重復，該脈沖重復頻率大于衛(wèi)星1向地球T發(fā)送的信號的發(fā)送周期。
參考信標11或者布置在地球T上，或者布置在沿高軌道15運行的 衛(wèi)星14上。在后一種情況下，參考信標11的天線12構(gòu)成衛(wèi)星14的天 線系統(tǒng)16的一部分。
參考信標11通過天線12發(fā)送的信號，由陸地控制中心4管理和同步。
根據(jù)本發(fā)明，來自參考信標11的信號由衛(wèi)星1用來驗證它們自己 發(fā)送給陸地用戶的信號。為此，如圖2所示，裝配在每個衛(wèi)星1上的設備6的電子部件附加 了設備17的補充電子部件，該補充電子部件通過所述衛(wèi)星1的天線系 統(tǒng)3的適當部分3. 3從信標ll接收信號。
設備17的電子部件包括接收器18，通過所述天線部分3. 3從信標 11接收所述信號。接收器18測量不同參考信標11發(fā)送的射頻的多普勒 信號，并通過鏈路20將這些多普勒信號尋址到一致性計算機19 (consistency computer )。而且，接收器18將從參考信標11接收的 數(shù)據(jù)尋址到解碼器21。所述解碼器21提取從所述參考信標11接收的位 置和時間信息，并將其尋址到所述一致性計算機19。
另外，通過鏈路22, —致性計算機19接收由設備6的電子部件中 的產(chǎn)生器9產(chǎn)生的導^i貞。從而， 一致性計算才幾19:
-通過一方面考慮由解碼器21傳送的參考信標11的解碼的位置和 時間信息，另一方面考慮源自所述導航幀產(chǎn)生器9的經(jīng)過校正的星上時 間和衛(wèi)星位置表，為裝載它的衛(wèi)星1計算距不同參考信標11的距離， 以及這些距離的變化率；
-驗證這些計算的距離和距離變化率是與接收器18測量的多普勒信 號一致的；以及
-將該一致性驗證的結(jié)果通過鏈路23發(fā)送給導航幀產(chǎn)生器9。
在圖2中還示出了導航幀的接收器-解碼器24,具有形成天線系統(tǒng) 3的一部分的接收天線3. 4。接收器-解碼器24能夠拾取無線發(fā)送器10 通過它的天線3. 2發(fā)送的導航幀，并將它們發(fā)送給一致性計算機19。因 此，接收器-解碼器24能夠代替和/或補充鏈路22。
權(quán)利要求
1.一種定位地球(T)上的用戶的方法，所述方法利用位于中高度軌道(2)并由至少一個陸地控制中心(4)管理的多個導航衛(wèi)星(1)，每個所述導航衛(wèi)星(1)發(fā)送各自的第一時間和位置信息，其中-由所述陸地控制中心(4)管理并分別能夠發(fā)送特定的第二時間和位置信息以及特定的無線電信號的多個參考信標(11)分布在空間中；以及-在每個導航衛(wèi)星(1)上·由所述參考信標(11)中的至少一些檢測所述發(fā)送的第二時間和位置信息；·根據(jù)所述第一和第二時間和位置信息計算第一值和第二值，該第一值和第二值分別表示所述導航衛(wèi)星(1)和每個所述信標(11)之間的距離和這些距離的變化率；·由所述參考信標(11)測量在所述發(fā)送的無線電信號中出現(xiàn)的多普勒頻率的變化；·根據(jù)所述多普勒頻率的變化計算第三值和第四值，該第三值和第四值分別表示所述導航衛(wèi)星(1)和每個所述信標(11)之間的距離和這些距離的變化率；·對于每個參考信標(11)，比較所述第一距離值和所述第三距離值，以及所述第二距離變化率值和所述第四距離變化率值；·產(chǎn)生表示所述比較的結(jié)果的信號；以及·所述導航衛(wèi)星(1)至少在所述比較顯示異常的情況下，向所述用戶發(fā)送該比較結(jié)果信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少某些參考信標(11)放 置在地球(T)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中至少某些參考信標(11)放 置在位于高軌道(15)的衛(wèi)星(")上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中位于高軌道(15)的衛(wèi)星(14) 是與地球同步的。
5. —種系統(tǒng)，用于實施根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的定位 地球(T)上的用戶的方法，包括位于中高度軌道(2)并由至少一個陸地控制中心(4)管理的多個導航衛(wèi)星(1),每個所述導航衛(wèi)星(1) 包括原子鐘(8)、由所述陸地控制中心(4)發(fā)送的遙控指令的接收器 -解碼器(7)、鏈接到所述鐘(8)和所述接收器-解碼器(7)的第一 時間和位置信息的產(chǎn)生器(9)、和向所述用戶發(fā)送所述第一信息的發(fā) 送器(10), 其中-所述系統(tǒng)包括分布于空間中并由所述陸地控制中心(4)管理的多 個參考信標(11),每個信標(11)能夠發(fā)送第二時間和位置信息以及 無線電信號；以及-每個導航衛(wèi)星(1 )還包括 用于接收由所述參考信標(11)中的至少一些發(fā)送的所述第二 信息的裝置(18 ),所述接收裝置(18 )測量在所述參考信標(11 )發(fā) 送的所述無線電信號中出現(xiàn)的多普勒頻率的變化；.用于解碼由所述接收裝置(18 )接收的所述第二信息的裝置(21 ); 計算裝置(l9),接收由所述解碼裝置(21)解碼的所述第二 信息、所述多普勒頻率的變化和由所述第一信息的產(chǎn)生器(9)發(fā)送的 所述第一信息，所述計算裝置(19):*一方面根據(jù)所述第一和第二信息，另一方面，根據(jù)所述多普勒 頻率的變化，計算所述第一值、第二值、第三值和第四值；*對于每個參考信標(11),比較所述第一距離值和所述第三距 離值，以及所述第二距離變化率值和所述第四距離變化率值；以及*將比較的結(jié)果尋址到所述產(chǎn)生器，從而后者可以把它們結(jié)合到 所述第一信息中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中尋址到所述計算裝置(19) 的所述第一信息在所述第一信息的產(chǎn)生器(9)的輸出處取樣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中每個導航衛(wèi)星(1 )還包括輔 助接收器-解碼器(24),用于接收和解碼由所述發(fā)送器(10)發(fā)送的 所述第一信息，所述輔助接收器-解碼器(24)將所述第一信息尋址到 所述計算裝置(19)。
8. 用于根據(jù)權(quán)利要求5所述的定位系統(tǒng)的導航衛(wèi)星，所述導航衛(wèi) 星(1)包括原子鐘(8)、由陸地控制中心(4)發(fā)送的遙控指令的接 收器-解碼器(7 )、鏈接到所述鐘(8 )和所述接收器-解碼器(7 )的第一時間和位置信息的產(chǎn)生器(9)、和向所述用戶發(fā)送所述第一信息 的發(fā)送器(10),所述導航系統(tǒng)包括分布于空間中并由所述陸地控制中 心(4)管理的多個參考信標(11),每個信標(11)能夠發(fā)送第二時 間和位置信息以及無線電信號， 其中導航衛(wèi)星還包括-用于接收由所述參考信標(11)中的至少一些發(fā)送的所述第二信 息的裝置(18 ),所述接收裝置(18 )測量在所述參考信標(11 )發(fā)送 的所述無線電信號中出現(xiàn)的多普勒頻率的變化；-用于解碼由所述接收裝置(18 )接收的所述第二信息的裝置(21 );-計算裝置(19)，接收由所述解碼裝置(21)解碼的所述第二信 息、所述多普勒頻率的變化和由所述第一信息的產(chǎn)生器(9)發(fā)送的所 述第一信息，所述計算裝置(19): 一方面根據(jù)所述第一和第二信息，另一方面，根據(jù)所述多普勒頻 率的變化，計算所述第一值、第二值、第三值和第四值； 對于每個參考信標(11),比較所述第一距離值和所述第三距離 值，以及所述第二距離變化率值和所述第四距離變化率值；以及 將比較的結(jié)果尋址到所述產(chǎn)生器，從而后者可能把它們結(jié)合到所 述第一信息中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的導航衛(wèi)星，其中尋址到所述計算裝置(19) 的所述第一信息在所述第一信息的產(chǎn)生器(9)的輸出處取樣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的導航衛(wèi)星，其中它還包括輔助接收器-解碼器(24),用于接收和解碼由所述發(fā)送器(10)發(fā)送的所述第一信 息，所述輔助接收器-解碼器(24)將所述第一信息尋址到所述計算裝 置(19)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種衛(wèi)星定位方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，每個導航衛(wèi)星(1)借助于從參考信標(11)接收的單向鏈路，以自發(fā)方式驗證其發(fā)送給用戶的基本信息。
文檔編號G01S19/08GK101308208SQ200810127718
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者H·法溫-萊弗奎, M·里普爾, R·萊恩 申請人:阿斯特里姆有限公司