CN100570394C

CN100570394C - 使用具有交替发射和分析阶段的定位卫星的无线导航系统

Info

Publication number: CN100570394C
Application number: CNB2006100667970A
Authority: CN
Inventors: 让·路易·达米多; 迪迪埃·弗拉芒
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: EP1712928A1; US20070040736A1; US7187322B1; CN1847875A; DE602005008711D1; ATE403883T1; EP1712928B1

Abstract

一种用于无线电导航卫星系统的卫星星座的定位卫星，其包括发射机装置、接收机装置和处理器装置，其中发射机装置用于发射用来确定无线电导航接收机的位置的操作信号；接收机装置用于接收由视野内的卫星星座的定位卫星发射的至少某些操作信号；并且处理器装置用于在选定时间将发射机装置对操作信号的发射中断一段选定的期间，并在每个发射中断期间对由接收机装置在至少一部分所述选定期间内接收到的至少某些操作信号进行分析，例如用以检验该信号的波形以及/或者用以确定伪距离。

Description

使用具有交替发射和分析阶段的定位卫星的无线导航系统

相关申请的交叉引用

本申请基于2005年4月14日提交的法国专利申请No.05300284.6，在此以引用的方式包含该专利申请公开的全部内容，并且在此主张其优先权。

技术领域

本发明涉及无线电导航卫星系统(RNSS)以及全球导航卫星系统(GNSS)，并且更准确地说，涉及改善这些系统提供的导航性能。

背景技术

在诸如GALILEO(伽利略导航卫星系统)或GPS(全球定位系统)之类的无线电导航系统中，确定定位卫星星座的卫星的轨道以及时钟同步都基于由陆地控制站进行的测量处理。由于这些站相对于该卫星星座的卫星(其位于中地球轨道上)的陆地位置，难以很精确地对这些卫星进行定位。此外，这些站的陆地位置使得无法对例如波形失真(“不良波形(evil waveform)”)中所反映出的某些操作信号异常进行检测。操作信号由定位卫星发射且用来对例如GPS接收机之类的GNSS或RNSS接收机的位置的确定。因此，任何的操作信号传输异常都可能会限制无线电导航卫星系统的导航性能。

在改善下一代GPS无线电导航系统、特别是未来的“GPS III”版本无线电导航系统的导航性能的尝试中，已经提出在定位卫星上安装所谓的卫星间测距(ISR)收发信机，这种收发信机专门用于确定卫星之间的伪距离(pseudodistance)。然而，这种收发信机利用完全不同于所述操作信号的专门信号，并且因此需要特定的时间同步和校准。这在定位卫星级别上引入了额外的复杂性，并提高了卫星制造的成本。此外，由于这些收发信机只对专门信号进行处理，因此不能确定操作信号的传输异常。

因此，本发明的一个具体目的是解决某些或所有以上所述的问题，并且更特别地是改善无线电导航卫星系统的导航性能。

发明内容

为此，本发明提出了一种用于无线电导航卫星系统的卫星星座的定位卫星，其包括发射机装置、接收机装置和处理器装置，其中发射机装置用于发射用来确定无线电导航接收机的位置的操作信号；接收机装置用于接收由(从该卫星的角度)视野内卫星星座的定位卫星发射的至少某些操作信号；并且处理器装置用于在选定时刻将发射机装置对操作信号的发射中断选定的期间，并在每个发射中断期间对由接收机装置在至少一部分所述选定期间内接收到的至少某些操作信号进行分析。

本发明的定位卫星可以具有其他的特征，并且特别是单独地或以组合的形式具有这些其他的特征：

-其处理器装置可以用于周期性地中断发射，以建立发射阶段和分析阶段的交替；

-该交替的时间优选地是从所述卫星星座的一个定位卫星到另一个定位卫星之间偏移，因此在每个周期内所述星座的每个定位卫星都具有一个分析阶段，在该分析阶段中只有该定位卫星中断其操作信号的发射；

-其处理器装置可以用于对所述接收到的操作信号的波形进行分析，以检测代表传输异常且构成分析结果的信号失真；

-其处理器装置可以用于对所述接收到的操作信号进行分析，以确定本卫星与所述操作信号发自的视野内的卫星之间的伪距离，所述伪距离构成分析结果；

-其可以包括计算器装置，其用于根据由所述处理器装置确定的伪距离以及补充无线电导航数据来确定本卫星的位置，每个所确定的位置构成分析结果；

-其处理器装置可以用于指示所述发射机装置将至少某些所述分析结果发送给所述无线电导航卫星系统的至少一个陆地站并且/或者发送给无线电导航接收机；

-其接收机装置可以用于接收来自所述无线电导航卫星系统的至少一个陆地站且准备供所述卫星星座的其他定位卫星使用的补充操作数据；在这种情况中，所述处理器装置用于指示所述发射机装置将由所述接收机装置接收到的所述补充操作数据发射给作为其目的地的定位卫星。

本发明还提出了一种无线电导航卫星系统，其配备了上述类型的定位卫星的卫星星座。

本发明特别适合于，但不是排他地适合于GALILEO无线电导航卫星系统和GPS无线电导航卫星系统。

在阅读以下详细描述并研究附图之后，本发明的其他特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是本发明的无线电导航卫星系统的一部分的示图；

图2是用于图1中所示类型的无线电导航卫星系统的本发明的定位卫星的一个实施例的功能框图；

图3是图1中所示的6个定位卫星的交替的发射和分析阶段的循环的示图。

具体实施方式

附图构成本发明描述的一部分，并且在必要时，有助于对本发明的诠释。

本发明的一个目的是改善无线电导航卫星系统的导航性能。

作为一个非限制性例子，下文中所考虑的无线电导航卫星系统是GALILEO系统。然而，本发明并不限于这种类型的无线电导航卫星系统。本发明涉及其他类型的无线电导航卫星系统，例如GPS。

首先参考图1来描述一个无线电导航卫星系统。

一般地说，无线电导航卫星系统包括定位卫星Si的卫星星座CS以及位于地球T上的选定位置的控制站ST。

例如，未来GALILEO系统的卫星星座包括位于中级地球轨道上的大约30个定位卫星Si(i＝1～30)，这些绕着地球T的卫星轨道近似地包含于(例如)三个平面中。为不使图1过分复杂，在同一平面中只表示了6个卫星S1-S6。

控制站ST(也称作“上行站”)通过无线电波发送导航信息和同步信息，这些信息旨在用于将控制站ST的内部时钟同步到定位卫星。

如图2所示，每个定位卫星Si包括导航器模块MN，其用于生成将由发射机模块ME通过无线电波特别是对着地球T发送的消息，以便位于地球T上或在其附近的无线电导航接收机能够使用这些消息。此外，每个定位卫星Si包括接收机模块MR，其用于接收由控制站ST发送的消息，以便将该消息传送给导航器模块MN。

由(定位)卫星Si发送的每个消息包括所谓的“操作”信号，该操作信号包含表示所述卫星Si的标识符的数据及其相对于其内部时钟的发送时间等。

当无线电导航接收机接收到消息时，其确定发送该消息的卫星Si的标识符，并随后在给定了消息接收时间和所标识卫星Si的轨道(存储于标识符/轨道表中)的情况下确定该消息到达该无线电导航接收机所耗费的时间，并且最后在给定了消息发送时间的情况下确定该无线电导航接收机与该卫星Si之间的伪距离。当该无线电导航接收机获得其与4个不同的“视野内”卫星之间的4个伪距离时，就能够确定其时空位置(X，Y，Z，t)。

例如，由电磁干扰引起的操作信号失真有可能限制时空位置测量的准确性。

本发明提出在无线电导航系统的卫星星座CS的每个卫星Si中，除了安装其发射机模块ME、接收机模块MR和导航器模块MN之外，还安装处理器模块MT。

根据本发明，卫星Si的接收机模块MR负责接收由视野内卫星星座CS的定位卫星Si’发射的至少某些操作信号，这些信号现在已经准备供无线电导航接收机来使用。

在GALILEO类型的系统中，操作信号由卫星Si的发射机模块ME以中心频率约为1575.420MHz的“E1”频率波段或以中心频率约为1191.795MHz的“E5”频率波段进行发射。

重要的是注意到，用于接收操作信号的接收机模块MR可以不同于传统地用于接收来自控制站ST的信息的接收机。实际上该接收机模块MR可以是一种专门的接收机模块。

根据本发明，处理器模块MT负责：首先，在选定的时间将发射机模块ME对操作信号的发射中断选定的期间；并且其次，在每个发射中断期间对由接收机模块MR在至少一部分该选定期间内已经接收到的至少某些操作信号进行分析。

处理器模块MT能够指示在导航器模块MN的级别上或在发射机模块ME的级别上中断操作信号的发射。

优选地定期进行这种中断。这使得可以为每个卫星Si定义时间段P的循环，在每个时间段P中，交替地进行选定期间的发射阶段DT和选定期间的分析阶段DA。

卫星Si(或者至少是那些基本上位于同一平面上的轨道中的卫星)的循环以及其阶段的交替优选地在这些卫星彼此之间在时间上偏移。这使得每个卫星Si在每个时间段P内接收一次由与其在同一平面上的其他卫星Si’发射的操作信号。换句话说，在每个时间段P期间，每个卫星Si具有一个分析阶段DA，在分析阶段DA期间只有这个卫星中断了其操作信号的发送。

图3示出了对于图1中近似地位于同一平面的6个卫星S1-S6，交替进行期间的发射阶段DT和期间的分析阶段DA的循环CS1-CS6的示例。当然，这仅是说明性的例子并且可以进行多种改变。

该分析可以涉及在分析阶段DA期间接收到的所有操作信号，只涉及在分析阶段DA的一个选定部分期间接收到的操作信号，或者只涉及在分析阶段DA的一个选定部分期间接收到的操作信号中的某些信号。

处理器模块MT可以配置为实现一种或多种分析，例如，分析器模块MA可以负责对接收到的操作信号进行分析，以确定其卫星Si与发射了该操作信号的视野内的卫星Si’之间的伪距离。为此，该分析器模块MA只需从信号发送时间中减去接收到每个操作信号的时间并随后将这一减式的结果乘以光速即可。

作为对上述内容的替代或者除了上述内容以外，处理器模块MT可以包括分析器模块MA，其负责对接收到的操作信号的波形进行分析，以检测代表传输异常的信号失真。例如，可以检测波形失真(“不良波形”)。可以考虑任何能够提供这种检测功能的方法。例如，可以在模块MA中执行用于基于所接收信号的代码与包含于模块MA的软件中的代码的副本的相关性来对所接收信号进行处理的方法。可以在这些相关性(或比较)的基础上生成度量并将其与预定门限相比较。同样，可以采用模板或快速傅立叶变换(FFT)。

还可以在每个卫星Si中提供计算器模块MC，以根据由分析器模块MA确定的伪距离以及补充无线电导航数据(其为构成存储于无线电导航接收机中的卫星标识符/轨道对照表的类型的数据)确定其位置。于是，计算器模块MC和至少一部分专门用于确定伪距离的分析器模块MA就好像一起构成了一个子系统，其相当于专门用于获得无线电导航接收机的时空位置的子系统。

这一点是特别有利的，原因是这使得每个卫星可以转变为实质上总是能够获知其在选定的参考框架下的时空位置的自主导航卫星。

与图2中所示出的情况不同，还可以将计算器模块MC集成到处理器模块MT中。

除了对来自视野内的卫星Si’的操作信号进行分析之外，每个卫星Si的处理器模块MT还可以负责指示发射机装置向地球T发送至少某些分析结果，并且因此向无线电导航系统的至少一个控制站ST并且/或者向无线电导航接收机发送至少某些分析结果。

这一点是特别有利的，原因是这大大简化了无线电导航接收机的任务(如果该分析结果涉及卫星Si相对于视野内的其他卫星Si’的伪距离，或者在更好的情况下该结果涉及卫星Si的时空位置)，并且因此改善了导航性能，特别是无线电导航接收机的时空位置的确定的准确性。

每个卫星Si的处理器模块MT可以配置为指示发射机模块ME在分析阶段DA期间或在分析阶段DA之后发送至少某些分析结果。

每个卫星Si的接收机模块MR还可以适用于接收来自无线电导航系统的至少一个控制站ST的准备供卫星星座CS的其他卫星Si’使用的另外的操作数据。

这些另外的操作数据可以包括例如用于同步内部时钟或更新卫星标识符/轨道表的导航信息和同步信息，或任何其他对内部分析有用的信息。

在这种情况下，每个卫星Si的处理器模块MT有利地负责指示发射机模块ME将另外的操作数据(由接收机模块MR接收)发送到作为数据目的地的卫星Si’。

这一点是特别有利的，原因是这给卫星星座CS的每个卫星Si提供了一种功能，即将信息中转给在其轨道的某些阶段期间没有位于接收所述信息的位置的其他卫星Si’。

本发明的定位卫星的处理器模块MT以及在适当的时候计算器模块MC可以采取电路形式、软件(或电子数据处理)模块的形式或电路和软件的组合的形式。

假设定位卫星Si在其分析阶段期间不能发送标准的操作信号，则有利的是在卫星星座CS中提供至少一个补充的定位卫星。例如，如果卫星星座的卫星大致分布于3个平面上，则可以在每个平面上提供一个补充卫星。也可以使用在某些卫星星座中配置的用于代替失效卫星(failed satellite)的备份卫星。

本发明提供了很多优点，根据可以设想的变型的功能，这些优点单独地或以组合的形式包括：

-改善了对定位卫星的实际轨道的确定和卫星间的同步，特别是使得可以获得关于时空位置的小于大概70cm的典型精确度，并且可以获得轨道精确度与在1σ(千分之一秒)级别上的时钟的组合误差；

-有可能将每个定位卫星转换成自主导航卫星；以及

-有可能检测并分离出传输异常。

本发明不限于上文中仅作为示例描述的定位卫星和无线电导航卫星系统，而是包括本领域普通技术人员所能设想到的落入所附权利要求的范围内的所有变型。

Claims

1.一种用于无线电导航卫星系统的卫星星座的定位卫星，所述星座的每个定位卫星均包括发射机装置，用于发射用来确定无线电导航接收机的位置的操作信号，所述定位卫星包括接收机装置，用于接收视野内的所述星座的定位卫星发射的至少某些所述操作信号；并且包括处理器装置，用于在选定时刻将所述发射机装置对所述操作信号的发射中断选定的时间，并在每个发射中断的选定的时间对由所述接收机装置在至少一部分所述选定的时间内接收到的至少某些操作信号进行分析。

2.根据权利要求1所述的定位卫星，其中所述处理器装置用于周期性地中断发射，以建立发射阶段和分析阶段的交替。

3.根据权利要求2所述的定位卫星，其中所述发射阶段和分析阶段的交替的时间从所述星座的一个定位卫星到另一个定位卫星之间偏移，因此在每个周期内所述星座的每个定位卫星都具有一个分析阶段，在该分析阶段期间只有该定位卫星中断其操作信号的发射。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的定位卫星，其中所述处理器装置用于对所述接收到的操作信号的波形进行分析，以检测代表传输异常且构成分析结果的信号失真。

5.根据权利要求1所述的定位卫星，其中所述处理器装置用于对所述接收到的操作信号进行分析，以确定本定位卫星与视野内的定位卫星之间的伪距离，所述操作信号由所述视野内的定位卫星发出，所述伪距离构成分析结果。

6.根据权利要求5所述的定位卫星，包括：

计算器装置，用于根据由所述处理器装置确定的伪距离以及补充无线电导航数据来确定本定位卫星的位置，每个所确定的位置构成分析结果。

7.根据权利要求4所述的定位卫星，其中所述处理器装置用于指示所述发射机装置将至少某些所述分析结果发送给所述无线电导航卫星系统的至少一个陆地站并且/或者发送给无线电导航接收机。

8.根据权利要求7所述的定位卫星，其特征在于所述处理器装置用于指示所述发射机装置在分析阶段发送所述分析结果。

9.根据权利要求1所述的定位卫星，其中所述接收机装置用于接收来自所述无线电导航卫星系统的至少一个陆地站且准备供所述星座的其他定位卫星使用的补充操作数据，并且所述处理器装置用于指示所述发射机装置将由所述接收机装置接收到的所述补充操作数据发射给作为其目的地的定位卫星。

10.一种无线电导航卫星系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述定位卫星的星座。