CN1007293B - 利用卫星和存贮的地形图定位和传输消息的系统 - Google Patents

Abstract

一种无线电定位和消息传输系统是利用一对与地球相对固定的轨道中的卫星，在地面站和使用者携带的无线电收发信机之间转发询问和应答信号来实现的。使用者的位置是根据通过两颗卫星在地面站收到的应答信号到达时间、从地面站发出的询问信号的已知发射时间、和使用者在地球表面上的高度来计算的。该高度是从可提供地球表面上的若干点上局部地形高度的存贮地形图中取得的。这个存贮的地形图可使地面的使用者获得精确的位置坐标，而不考虑从球形或椭球形地球表面模型带来的局部地形的偏差。

Description

本发明涉及无线电定位和通信系统，尤其涉及利用处于已知位置的人造卫星作为测距和传输消息信号的中继站的无线电定位和消息传输系统。

本发明是对第4、359、733号美国专利中（1982年11月16日颁布给G·K·奥尼尔（G·K·ONoill）所描述的依靠卫星的定位系统的改进或修改。在这个系统中，使用者的运载工具上装有应答机用来响应接收到的普通询问信号并发射一个特殊编码信标或应答信号。带有转发器的三颗卫星处于地球上方轨道中有间隔的位置上接收和转发来自使用者运载工具上的应答机产生的应答信号。地面站周期地发射普通的询问信号，并接收和处理三颗卫星转发的应答信号，以便确定使用者的运载工具的瞬时位置。

为了避免地面站上信号重迭和设备饱和，第4、359、733号美国专利中每一运载工具上的应答机都包括这样的装置，它根据普通询问信号在应答机响应第一个普通询问信号之后的一般预定时间间隔内阻止应答机响应后续的普通询问信号。这就避免了对各个应答机单独定地址，时隙的定时询问，复合频率和各种各样以前被认为是减少接收站信号迭加所需要的其它复杂技术。此外，由于可以改变阻止时间间隔，对于不同的使用者或同一使用者在不同的需要时间内可以修正响应速率，而无需改变地面站的实际询问速率。

美国专利第4、359、733中描述的系统根据由三颗卫星发来的应答信号的到达时间确定使用者的位置，到达时间是根据来自地面站的询问信号的已知发射时间测出的。三个时间差为三个方程的方程组提供必需的未知数，解这个方程组可求出使用者的三维位置。当使用者的运载工具包括飞机时，这种方法特别适用，因为可以直接从经度与纬度一起确定飞机的高度，而无需依靠飞机的高度表。相比之下，地面上的雷达系统只能很粗略地确定飞机的高度，如果要获得精确的高度信息必须依靠机载的编码高度表。

虽然从提供完整的三维位置信息的角度来说，三颗卫星构成的系统是合乎需要的，但在轨道上置放三颗卫星并维护它们所需的费用是巨大的，这就使人们开始考虑是否可以用更少的卫星完成上述任务。例如，两颗卫星的系统可以节省一颗卫星的费用并且也能够在一颗卫星发生故障时起三颗卫星系统的子系统的功能。虽然在先有技术中已经提出了利用两颗卫星的定位系统，但这些系统一般都要依靠运载工具上的设备提供一个位置座标。例如：在飞机的情况下，高度座标可由高度表提供，它与由卫星获得的位置信息一起构成完整的位置座标。遗憾的是，这种计算位置的方法在很大程度上取决于高度表的精度，而高度表的精度又反过来受气压变化，调节是否适当以及其它因素的影响。

在地面的使用者的情况下，例如：汽车、火车，船舶和步行者，由于不需要计算高度座标，情况多少可以简化一些。如果从地球是纯球形或更确切地说是椭球形的这一假设出发，对这类使用者来说，两卫星系统可以提供近似的二维座标（即：经度和纬度）。虽然在只希望获得近似位置座标时，这种假设是有效的，但对精确的位置测量就不适用了，因为没有考虑当地的地形特征。地球表面各地的地形高度可以相差数千英尺，这种差别会给地面使用者的水平位置计算带来相当大的误差。

本发明提供了一种依靠卫星定位和传输信息的方法，它利用两颗卫星和一张存贮的地形图，来产生高精度的位置信息。此系统特别适合于地面使用者，但在某些情况下也可用于非地面使用者。

根据本发明的系统包括一台使用者携带的无线电收发信机，用于接收询问信号并根据此询问信号发射应答信号;两颗处于地球上方轨道中有间隔的位置上的卫星，每颗卫星都带有转发器，用于接收和转发使用者携带的无线电收发信机发射的应答信号;以及一个地面站，它周期地发射询问信号，并接收和处理两颗卫星转发的应答信号。地面站的设备可根据卫星转发的应答信号到达地面站的时间，从地面站发射的询问信号的发射时间，以及使用者在地球表面的高度来计算使用者的位置。地球表面的高度是从存贮的地形图中得出的，此地形图提供地球表面上本地区许多点上的地形高度。借助存贮的地形图，可以为地面使用者提供精确的位置座标，而无需考虑当地地形与地球的球面或椭圆球面间的偏差。

当与一台或多台处于已知位置的“基准点”无线电收发信机一起使用时，本发明的系统特别有效。这些无线电收发信机可用来产生存贮在地面站的地 形图数据，并周期地校准此系统以补偿卫星漂移，变化的电离层滞后等。

除了为地面使用者提供准确的位置信息以外，本发明也可为着陆飞机提供精确的进场能力。

参照附图阅读下列详细说明会很容易地领会本发明的各种目的，优点和新颖性。

图1描绘了本发明中卫星的最佳位置，给出了地面站发出的询问信号由一颗卫星转发给地面使用者的一台无线电收发信机的工作方式;

图2示出了两颗卫星接收地面使用者的无线电收发信机发出的应答信号并直接转发给地面站的方式;

图3和图4示出了计算地面使用者的无线电收发信机位置的几何基础;

图5是用户无线电收发信机所处位置的地形轮廓的放大剖面图;

图6和图7示出了地面站产生的询问信号的示范形式;

图8和图9示出使用者无线电收发信机产生的应答信号的示范形式;

图10给出了使用者的无线电收发信机的内部组件;

图13示出了地面站用于产生询问信号的示范电路;

图14示出了在地面站接收和解码无线电收发信机应答信号以及测量这些信号到达时间的示范电路;

图15示出了地面站计算机的示范结构，此计算机用于处理图13和图14所示电路提供的输出信息，来与存贮的地形等高线图接口，以便进行位置计算，并与外部信息运用系统接口;

图16是一流程图，它给出了图15所示的地面站计算机运行的顺序;

图17给出了利用本发明提供一个精确的飞机进场能力的方式;

图18示出了产生存贮在地面站计算机中的地形高度信息的可供选择的另一方法;

在所有附图中，同样的参考标号表示相同的部分。

根据本发明的推荐实施方案，携带转发器的两颗卫星被置于围绕地球的相对固定的赤道轨道上，在此轨道上，每颗卫星处于不同的经度上。图1中示出了这种布置，其中，两颗卫星分别用S1和S2表示。当然，本发明不需要卫星S1和S2处于相对于地球固定不变的轨道上;它们的轨道可以是近似同步，非同步，椭圆，倾斜或其它类型的，而且可以在任何给定时间确定它们在这些轨道上的位置。为了简化分析并利用一个单个的固定地面站描述本发明，此后将假设卫星S1和S2处于图1示出的相对于地球静止的轨道上。

进一步参看图1，地面站GS定期发射由被称作询问脉冲组（IPG）的码序列构成的询问信号。在本发明的最佳实施方案中，询问脉冲组（IPG）的发射率为每秒100个询问脉冲组。询问脉冲组（IPG）以F1的频率发射给卫星S1，此卫星将频率变换成F3，并将询问脉冲组散播给本系统所服务的整个区域。询问脉冲组序列被地面使用者的无线电收发信机（例如图1中的无线电收发信机T）所接收。

本发明的一个特征是，使用者可以随时要求提供航行的位置信息。这使得动态平台，例如高速地面或水面运载工具和飞机，可以比动态较小的平台更频繁的要求提供位置信息。在本发明中，无需针对特定使用者用复杂的询问脉冲组（IPG）寻址就可以完成上述功能。假定使用者T需要目前的位置信息，无线电收发信机发射一个脉冲组形式的应答信号来响应下一个接收到的IPG。应答信号包括一个测距码，使用者的识别，可能还有一个消息，并与IPG的接收同步把它们发射出去。

参看图2，应答信号以F4的频率传输给卫星S1和S2。每颗卫星都以F2的频率转发给地面站GS。根据卫星S1和S2的已知位置，地面站IPG的发射时间，以及地面站接收卫星转发的应答信号的时间，地面站可以计算出卫星S1和使用者之间的距离，以及卫星S2和使用者之间的距离。根据这一信息，就可知道使用者处于以卫星S1为中心，半径为D1的球面上，同时也处于以卫星S2为中心，半径为D2的球面上。由于两个球面的交线是个圆迭则使用者处在此圆周的某一点上，位置线（LOP）如图3和图4所示。

图3是沿赤道平面（EP）的图形，图4是直接从北极（NP）之上的图形。注意，连接两卫星的线将穿过LOP圆的中心，并与圆面成直角。在图4中，只看见圆的边缘，因而显出是一条直线。

接着参看图3和图4，LOP在两点T和T′ 处穿过地球表面，这两点对称地处于南半球和北半球。根据使用者位置的一般了解，可以去掉两个使用者的可能位置中的一个。这一信息可以作为使用者对IPG应答的一部分由使用者随时提供。使用者的精确位置可通过计算位置圆穿过存贮的地形图所表示的表面的点来获得，这种交叉产生所需要的使用者的纬度，经度和高度。

使用者的精确位置和计算出的使用者的响应时间被编码成二进制消息，然后作为一个特定的使用者的地址，并把它包括在要传输的下一个IPG中。卫星S1或（S2）转发IPG，由使用者接收位置消息并对其进行解码。系统的响应时间，即从使用者要求位置消息到收到位置消息的时间延迟，这段时间延迟一般为0.6秒左右。

两个不同的使用者的应答信号可能几乎同时到达一颗或两颗卫星并迭加。可以用若干种方法来处理这种情况。第一种方法，如美国专利第4，359，733中所披露的那样，可使每一使用者的无线电收发信机，在回答一询问信号后，在一不太准确的时间间隔内不工作。对使用者来说，每10秒钟修正一次它们的位置，这意味着使用者的无线电收发信机在1000次询问中只回答一次，从而简化使用者的应答，也减少了迭加。第二种方法，使用者可以不同的伪随机噪声码（PN码）回答。虽然与非编码简短回答相比，对整个系统的性能改进不大，但这种方法可以接近通道能力的理论极限，同时使用者的无线电收发信机只需很低的峰值功率。第三种方法，卫星可以使用点波束，这样在不同地区的使用者可同时回答，卫星以不同的点波来接收他们的发射信号，并以不同的下行信道将它们转发至地面站。在最推荐施方案中，卫星天线可以用15～20个波束宽为1∶3的点波束来覆盖美国48个相连的州（美国大陆）。利用选择器-组合器电路来激发波束，该波束接收使用者应答信号，并在此应答信号期间阻止其它波来工作。因此，在选定的波束中的信号不会与被阻止的波束所服务的区域中其它使用者发来的信号迭加。其次，如美国专利第4，359，733号中所披露的那样，地面站可以测量整个信号的传输长度，以便不接收那些传输长度比正常传输更长的信号，如两个信号传输迭加所产生的那样。最后，作为对错误数据的全面检查，每一用户回答可以包括一个多元检错码或其它形式的检错码。当地面站计算机计算时发现此检错码不对时，地面站将不发给使用者的无线电收发信机位置消息或信息。在这种情况下，经过一段预定的延迟之后，可以让无线电收发信机自动重发应答信号。每一使用者重复回答的时间控制可以是随机的，以减少再次迭加的概率。

使用本发明的存贮地形图清除了潜在的误差源。对在美国大陆的使用者来说，LOP与地球形成一个大约45°的角，如图5所示。如果使用者处于高起的地域20（如图所示），本发明可以补偿这一高度并提供精确的位置信息。假如，系统采用地球为概圆模式而不是地形图，则所带来的误差将和使用者的高度具有同一数量级。例如，基于LOP与参考椭球（RE）的交线，使用者T的经度和纬度（图5）与实际的经度和纬度相差一段距离，这段距离与使用者高度值h具有同一数量级。此外，由于两颗卫星与地球中心相差很远，基于位置误差的测距误差的影响很可能要比使用三颗或更多的卫星而不用存贮地形图来定位的系统要小得多。实际上，精度的几何损失（GDOP）减小了。

本发明除了前述的以外还具有其它的功能和特征。除了从地面站向使用者传输消息的功能之外，本系统能从使用者向地面站传输消息。这使得在意外事故或人身安全受到威胁等情况下可以发出紧急救援请求。此外，由于使用者可以向地面站发送消息，飞行中的飞机可以自动地在应答信号中提供高度信息。地面站可以根据飞机高度而不根据存贮地形图来计算飞机的位置。在这种情况下，位置的精度与飞机高度的精度在同一数量级，典型的情况是50到150英尺。因此，潜在的使用者包括飞机，地面上的车辆，水面上的船只以及行人。

本发明可具体地提供基本上是世界范围的服务。图1至图4示出了两个卫星构成的系统，它可提供地区性的服务，例如南美洲和北美洲。通过增加卫星，应当可服务于地球上任何一点。

在本发明中，可以用处于已知位置的无线电收发信机作为基准点。这就是说，可以用基准点上的无线电收发信机发出的信号来校准系统，并消除由于卫星轨道变化，电离层延迟，关于地球形状（地球形体）的不完整的知识以及卫星中变化的延时等不确定因素。

位置计算

下面将参照图1至图5描述一种根据存贮的地 形图和所测到的返回信号的到达时间T1和T2来计算使用者T的位置座标的方法，上述返回信号是响应地面站在T0时刻发出的询问信号而产生的。为方便起见，以球坐标的一般形式（γ，θ，φ）进行计算，其中从地心测得等于90减去纬度值，表示从格林威治子午基线算起的经度值。因此，地面站GS坐标，卫星S1和S2以及使用者T的坐标可表示如下：

地面站：（γ_GS，θ_GS，φ_GS）

卫星S1：（γ_S1，θ_S1，φ_S1）

卫星S2：（γ_S2，θ_S2，φ_S2）

使用者T：（γ_T，θ_T，φ_T）

除使用者T以外的所有其它坐标都是已知的。其它已知的或可测到的必需的量是：询问信号的发射时间T0，使用者无线电收发信机的响应延时T_D，以及卫星转发器的响应延时T_S，假定在位置计算所包括的那些频率，两颗卫星的T_S是相同值。并进一步假定，所有信号都以光速（C）传播。在某一特殊情况下，如果上述的任何一个假定都达到不准确的程度，照列对下列方程作适应的修正：

一般（γ_o，θ_o，φ_o）和（γ_i，θ_i，φ_i）两点间的直线距离可表示如下：

d＝〔（γ_iSINθ_iCOSφ_i-γ_oSINθ_oCOSφ_o）²+（γ_iSINθ_iSINφ_i-γ_oSINθ_oSINφ_o）²+（γ_iCOSφ_i-γ_oCOSφ_o）²〕 1/2 （1）

因此，以光速C通过这段距离的传输时间ΔT可表示如下：

ΔT＝（1/C）〔（γ_iSINθ_iCOSφ_i-γ_oSINθ_oCOSφ_o）²+（γ_iSINθ_iSINφ_i-γ_oSINθ_oSINφ_o）²+（γ_iCOSφ_i-γ_oCOSφ_o）²〕 1/2 （2）

为方便起见，方程（2）的右边可以以函数符号表示如下：

ΔT＝f〔（γ_o，θ_o，φ_o），（γ_i，θ_i，φ_i）〕 （3）

此后，会经常使用这个符号，记住，函数f只是方程（2）右边很长的整个函数的速写形式。

如果在方程（1）和方程（2）中相互替换（γ_o，θ_o，φ_o）和（γ_i，θ_i，φ_i）两点的坐标，显然，测量距离以及测量传输时间是一样的。如果按上面定义的速写的函数符号，这就意味着：

f〔（γ_o，θ_o，φ_o），（γ_i，θ_i，φ_i）〕＝f〔（γ_i，θ_i，φ_i），（γ_o，θ_o，φ_o）〕 （4）

参看图1和图2将会看到，地面发生的询问信号的发射时间T0和与卫星S1相关的返回信号到达地面站的时间T1之间的差是：

T1-T0＝f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+T_S+f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_S1，θ_S1，φ_S1）〕+T+f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_T，θ_T，φ_T）〕+T_S+f〔（γ_GS，θ_GS，φ_GS），（γ_S1，θ_S1，φ_S1）〕 （5）

利用方程（4）和进行并项得：

T1-T0＝2f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+2T_S+T_D+2f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_T，θ_T，φ_T）〕 （6）

由于在通路上包括两颗卫星，则从卫星S2返回信号的方程比较长。S2的方程为：

T2-T0＝f〔（γ_S1，θ_S1，φ_S1），（γ_GS，θ_GS，φ_GS）〕+f〔（γ_T，θ_T，φ_T），（γ_S1，θ_S1，φ_S1）〕+f〔（γ_S2，θ_S2，φ_S2），（γ_T，θ_T，φ_T）〕+f〔（γ_GS，θ_GS，φ_GS），（γ_S2，θ_S2，φ_S2）〕+2T_S+T_D（7）

方程（6）和方程（7）构成两个方程的方程组，其中，使用者位置坐标（γ_T，θ_T，φ_T）是唯一的未知数，其余的都是已知的或可直接测得到的。正如前面所讨论过的，每一方程表示一个以卫星为中心的球面，这两个方程的联立解，即LOP，是一个圆。

完成定位所需的附加信息由存贮的地形图提供。目前，数字形式的地形图可用于地球上的许多地区。例如，可从全国制图信息中心得到美国本土和阿拉斯加以及夏威夷的一幅地形图或通常所称的数字高度模形（DEM）。DEM提供矩形阵列中每一点的高度。在东西方向上的各点距离为30米，南北方向上的距离为30米。高度精度为15英尺或小于15英尺。

地面站中的计算机是用来解公式（6）和（7）以求出LOP圆的表达式。然后，使用检查过程来计算由所存储的地形图表示的地形表面与圆交叉的准确位置。在DEM的阵列各点之间的地形表面用内插法来确定。

为了简化位置计算，最好将所存贮的地形图进行图形化，以便对于图5中给定的输入点P，（表示计算的LOP和参考椭球RE的相交点）存贮器可在LOP和地形表面交叉点T上读出地形高度h，而不是将P点正上方的垂直地地形高度读出。在卫星S1和S2是定点的情况下，这是可能的，因为在参考椭球RE上的任一给定以P都相关于一个以一已知角度与RE交叉的唯一的LOP。高度h使 地面站计算机计算出沿LOP的使用者收发信机T的确切位置，以便可得到一个精确的位置坐标点。

在定点卫星各个位置中缓慢的昼夜变化（以0.1°的数量级）可由基准点的收发信机来盐测，或者使用独立的卫星跟踪技术来盐测。为了补偿在位置计算的这些变化，地面站计算机可用来计算理想的LOP和实际的LOP之间的角度差，并且不断地更新这些角度差而把它们作为卫星的位移而存贮起来。当进行位置计算时，LOP和基准椭圆RE的计算交点P，可用存贮的角度差进行调正，以求得参考椭球RE上的校正过的点P。然后可以把校正过的点P。作为输入加到地形图存贮中以求得使用者位置上的地形高度h。

本发明还可使用一个更普通的地形图形式，对于参考椭球RE上任一给定点P，该地形图可直接存贮那一点正上方的地形高度（即垂直于那一点的高度）。在这种情况下，在位置计算中，必需有附加步骤来计算出P点与使用者位置T之间的水平偏移。最简单的办法，在比较平坦地形区，可采用直接的三角计算。参看图5，假设卫星S1和S2是定点卫星，可以观察到LOP以一已知的，取决于纬度的角度与参考椭球RE相交叉。这一角度的余角（即：LOP与RE的垂线之间的角）与已从所存贮的地形图读出的，直接在点P之上的地形高度一起用于计算沿LOP方向的点P与使用者收发信机T之间的近似的水平位移。这样即可获得使用者收发信机大致的水平位置坐标。

作为三角方法的一种替换办法，当地形图是上述类型的地形图时，可使用一种迭代方法来获得使用者的位置。这种方法尽管给地面站计算机加上较大的负担，但是可以提供一个更好的，在陡峭和崎岖的地形区中的使用者位置的近似值。迭代方法如下：

（1）计算LOP和参考椭球（RE）的交叉处的水平位置L1（纬度和经度）。这相当于图5中所示范例中的点P。

（2）由所存贮的地形图中取得水平位置L1的高度E1。

（3）计算出LOP通过高度E1的水平位置L2。

（4）由所存贮的地形图中取得水平位置L2的高度E2。

（5）计算出E2-E1的差。

（6）重复进行（3）至（5）的各步骤，产生一系列水平位置以及高度Li、Ei、Li+1、Ei+1等等，直至Ei+1-Ei的差值足够小，或者，直至已经完成了预定数目的重复。

对于绝大多数地形区，该迭代方法迅速集中于一处。例如，在平坦地区，仅需一次重复可使E2-E1的差小得可以接受。在崎岖的地形中，即地面坡度相等或大于LOP的仰角，迭代方法收敛得更慢一些。为此，要设置一个迭代限度，以避免地面站计算机超载。

在本发明的推荐实施方案中，所存贮的地形图是第一次讨论过的那种类型，即：对于一个在参考椭球RE上的给定点P，存贮器读出在LOP与地形表面之间的交点上的地形高度h。这使使用者收发信机T的位置可直接得出而不依赖于上述三角计算或是迭代计算的近似值，以此来减小地面站计算机的计算负担。

IPG重复频率，在推荐实施方案中为每秒100IPG，这导致一种特殊形式的位置模糊。在时间T1到达地面站的使用者应答信号可能是响应于任意几个IPG而发出的，这样就导致了许多个可能的使用者的位置。然而，在可能的地点之间的最小分离率等于（0.01秒/2）乘以光速，或1500公里。这一模糊性可以最简单地以对使用者位置的大致了解而得到解决。这种大致的了解是使用本系统的通信能力一次性地或偶然性地询问使用者以确定使用者大概的邻近处（比如：使用者所处的美国一个特定的州）而取得的。

信号形式

地面站之间或地面站与使用者之间相交换的信号的信号形式如图6、7、8和9所示。由地面站发送的IPG系列的总的性质由图6示出。在推荐实施方案中，IPG重复的间隔（TRR）为0.01秒。

图7是IPG更详细的示意图。前置码包括卫星所使用的辅助信息。距离码是一个多位数的格式，收发信机的距离码检测器与其相匹配。通信信息每一个有256位，在每一IPG之中包括有不同数量的信息。这些通信信息包括使用所要求的位置信息以及使用者之间交换的信息。

仅在要求位置信息时使用者所使用的回答信号形式由图8示出。除前置码以及距离码外，回答信号包括有使用者的专用的号码，或使用者认别码。图9表示当使用者要传递消息时所采用的使用者回答 信号形式的格式。这种形式包括确定另一个使用者收发信机或地面站的目的地址，还有消息正文，以及一个嵌入的检查码。图8和9所示的前置码包括有用于激励卫星选择组合器（下面将予说明）的两个码。

作为一种选择，通过卫星S1和S2在使用者收发信机与地面站之间的通信可采用带有分码多址方式（CDMA）的扩展频谱技术。从使用者收发信机至地面站的上行联系用随机的时分多址方式（RTDMA）进行操作，然而，由地面站到使用者收发信机的下行联系是序列的，或叫作非随机的（即：计算机控制的）分时多址方式（TDMA）。在CDMA的操作中，使用者收发信机可划分为数个不同的组（例如：30个），每一组的收发信机采用一特别的伪随机噪声码（PN码）进行传输。在地面站，30套解码器可并行工作，每一个都有几个备份的，以便使使用者收发信机可同时传输信息。这一安排可以用更小的卫星天线，更低功率的收发信机，而得到更大的通信容量。上行的联系通讯可采用不同的PN码，一个卫星一种码，以便卫星上的发射机可同时工作，而避免明显的噪声。这显著地降低了卫星上的发射机的功率。

收发信机的电路

图10的方框图表示可产生图8和9中应答信号的收发信机的电路。应予指出，尽管图10的方框图代表一个推荐的电路结构，按照所产生的应答信号的类型以及特殊使用中的要求，也可采用其它的电路。

来自地面站GS的询问信号由卫星S1以频率F3转发给使用者，并由接收天线22所接获。该接收天线可用一个简单的半波偶极子来实现。在推荐实施例中，图7所示询问信号形式通过相移键控（PSK）被调制到载频F3上。在本例中，图7所示距离码长达64位，足以保证由价格低廉、设计简单的收发信机进行适当的检测工作。

该接获的信号加至接收机24，该接收机进行必要的低噪声放大并通过低差变频变换为中频，以适合于后面的解码器和码同步器26以及距离码检测器32的操作。该解调/位同步器26对图7中所示询问信号进行非相干（DPSK）检测，并提供有对于抽取任何位置报告或其它使用者消息所必需的信号解码功能。这个技术不用每一个收发信机中的复杂的载波跟踪环，而能提供有合格的误码率性能。然而，如果需要，可在收发信机中使用一个简单的载波跟踪环。给特定的使用者的位置报告和其它消息由对那个使用者特定的识别码来鉴别。识别码检测器28完成已解调的基带信号的数字相关。当赋与那个使用者的特定的使用者识别码被检测出来时，显示器30开启，包含该使用者识别码的消息和位置报告就显示给了该使用者。

距离码检测器32检查来自接收机24的输入中频（IF）模拟波形，并且提供一个触发脉冲输出，这些操作是在其检测到有图7中所例举的信号形式所表示的距离码出现时进行的。检测器本身是一无源匹配的滤波器，并且包括有一个带抽头的延迟线，其后带有一包络检波器，以及一个单触发多谐振荡器。

声表面波（SAW）器件也可以代替使用。检测器也可以使用普通的技术。来自距离码检测器32的触发脉冲输出同时加至选择门34和一个禁止电路38。禁止电路38的工作取决于收发信机的工作方式，这在下面将予说明。选择门34使码时钟36在一段足够的时期内进行工作，以使一个单一的收发信机应答信号得以被传输出去。选择门34在其输出处提供一门脉冲，该脉冲宽度是从两种之中选择其一由使用者确定的。第一种选择提供有一个足够长的宽脉冲，足以包容将图8所示的使用者位置请求（PR）进行传输所必需的总位数。第二种选择提供一个宽脉冲，其宽度足以包容将图9所示的使用者消息请求（MR）进行传输所必需的总位数。无论使用者什么时候通过键盘44发出一信息，第二种选择都由收发信机自动地进行挑选。否则，第一种选择被启动。

在正常工作中，当使用者需要位置信息时，就由复位装置40作出请求。复位装置40临时性地克服了禁止电路38，使得下一个进来的IPG由使用者收发信机中触发出一个回答。在这一方式中，禁止电路38除了在被复位装置40所克服的时间内，总是阻止位码时钟34。

在第二种工作方式中，即：适用于地面站对收发信机位置进行连续监测的方式，禁止电路38当使用者应答信号在一段预定的，不精确地禁止时间间隔Ti（通常比图6中IPG的重复间隔TRR大得多）内被传输后立刻被启动。在这一时间间隔之后，直至收发信机对下一个接受到的IPG进行回答的时候，禁止作用无效。这样，地面站得到这个收发信机的位置信息，这个信息在大约每一Ti秒内得到更新。

此禁止电路的目的是使收发信机对所有的IPG中某一小部分作出回答来减小使用者收发信机的有效回答率。这减小了在地面站的回答信号重叠的发生率，并且还减小了加在地面的位置计算设备的负担。禁止间隔可根据不同的使用者等级而不同，也可根据某一使用者在不同需要的时期而变化。禁止电路38的一个结构范例已在上述美国第4，359，733号专利中提出过，该专利在这里很明显地被参考而加以结合。

继续参看图10，收发信机对IPG的回答将包括一个前置码、一距离码、一使用者识别码，一个嵌入的检查码以及可任选的、确定一个消息终点的地址和对该终点的消息。这些项目都被装入应答寄存器42。这个寄存器的内容以由码时钟36所确定的时间和速率移到调制器46。一个PSK调制的信号驱动功率放大器48，该信号通过天线50发射给卫星S1和S2。如果需要，接收和发射天线22和50，可组成一个结构的天线，并通过一个天线分离滤波器电路来分离出接收和发射功能。

卫星设备

大多数情况下，本系统所需要的卫星仅需包括接收和发射电路，用来在地面站GS和使用者收发信机之间传递IPG和使用者的回答。然而，如下面将要讲到的，本推荐电路结构包括一些附加的特性，这些特性可提高本系统的通过能量并且减小卫星上直流电源的需求。所有用于确定位置的关键时间测量电路都设置在地面站，以便这一电路可随电子技术的发展被改善和更新，而不必替换卫星上的任何东西。

如前所述以及如图2所示，地面的使用者收发信机T的回答信号通过本系统的卫星S1和S2中继传送回地面站GS。地面站通过两个高定向天线（一个对准一个卫星）接收这两个中继的或叫作再发射中继的应答信号。这些，如图2所示地面站GS将接收两个以时间隔开的发自每一个使用者收发信机T的应答信号，这两个信号频率都同样是F2。

尽管两个卫星S1和S2中仅有一个被用来中继从地面站到使用者收发信机的询问信号（如图1所示），两个卫星的电路是同样的。所以，任何一个都可以被选择完成这一功能。

图11和图12表示卫星仪器仓的电路。图11是一整体图，而图12表示该仪器仓的应答机的突出的组件。首先参看图11，由地面站GS以频率F1（本例中为6533MHz）发射的询问信号被卫星接收天线52所接获。同样，来自使用者收发信机T中继的应答信号由卫星发射天线54以频率F2（本例中为5125MHz）发射到地面站GS。虽然图示两个结构相异的天线，但最好采用通常使用的单独的抛物形反射器，一个单独的喇叭天线组件以及一个发送/接收天线分离器。中继到使用者应答机的询问信号，以频率F3（本例中为2492MHz），由一组N个天线56-1至56-N来发射。该N个天线划定重叠的点波束，该波束群将地表面上所适用的部分划分为若干个相邻的每。与其相类似，以频率F4（本例中为1618MHz），由使用者收发信机发射的应答信号被一组N个点波束天线58-1至58-N所接获。与以上论述相同，不必使用2N个结构相异的天线来联接卫星和使用者收发信机。推荐的设备是利用一个单独的反射器。此外，对于N对发射/接收通道之中的每一对最好使用一喇叭天线组件（包括一个发射/接收天线分离器）。所有上述组件在设计上都是常规的，并都可用现成的零件来制作。

在图11中提到，并且由图12表示的卫星应答机提供有在地面站GS和使用者收发信机T之间传送信号所必需的放大和频率转换。来自地面站的、被卫星接收天线52所接获的信号顺序地通过低噪声放大接收机60，低差变频器62、激励放大器64以及一个或多个功率放大器66-1至66-N。每一功率放大器由图11所示的56-1至56-N各项各自单独地连接到它自己的发射天线上，或更确切地说，连接到它自己的天线分离器/喇叭天线组件的组合器上。图12中的方块68（标有检测器/解码器选择功率放大器）启动卫星应答机，自动地回答来自地面站GS的编码指令，该指令被插入信号中并且自动地将该信号引入一个或多个功率放大器66-1至66-N。

在操作中，该检测器/解码器选择功率放大器装置将距离码引入所有的喇叭天线，以便每一个使用者在每秒钟可接100个距离码。给一个特定的使用者的消息仅被引入服务于包括使用者的地区的喇叭天线，这一地区是由原先计算的位置信息中得知的。对于节省卫星功率，这是一个重要的因素。另一方面，为了减小地面站所需的总的数据流的量，为了避免在卫星上必须迅速地决定出通过哪一个喇叭天线发出信息，在卫星上的电路可以简单地用程序把 进来的地面站消息按一预定时序（如：功率放大器66-1按30毫秒，功率放大器66-2按60毫秒，等等）引入N个功率放大器66-1至66-N其中之一或另一个。然后地面站可选择出特别的放大器以及用于一个特定信息的特殊点波束，这只须简单地通过选择适当的、传送信息的时间间隙即可。当信号信息量负载在一天当中发生变化时，该时间间隙的平衡和衡量可随时由对卫星上的计算机发缓慢指令来改变。

由使用者收发信机T发出的应答信号被一个或多个图11所示的接收天线58-1至58-N所接获。每一天线（即：每一天线分离器/喇叭天线组件）被接在图12所示的，它的单独的接收机70-1至70-N上。应答信号在由天线54以频率F2发射至地面站以前依次通过选择组合器72、高差变频器74以及最后的发射机76。接收机70-1至70-N、高差变频器74以及发射机76在设计上都是普通的，并且可由现成的零件制成。因此，对这些组件的详细说明就不必要了。

图12所示选择组合器72是一电子开关，该开关在任何一个瞬间将高差变频器74与接收机70-1至70-N其中之一，而且仅仅是一个相连接。该组合器连续地探测N个接收器中哪一个包括有一个应答信号，并且在实际上，在所探测到信号期间内抑制所有其它接收机的输出。这一装置由于它启用了有效频谱的设计并且相对于所接收的回答信号，以先来先服务的原则提供有一统计上的多路传输，因而首先得到重视。它减小了发自不同天线区的两个或两个以上的应答信号在卫星上发生重叠（同时到达）所引起的平均系统信息通过量降低。（然而发生在产生于同一接收天线区中应答信号之间的重叠并无好处）如果没有这种抑制作用，所有这些重叠信号必须被重复。有了这种抑制作用，来自使用者收发信机的反应小的应答信号必须进行再发射。此外，所推荐的设备提供有一种防止由空余接收机的噪声引起的、通过频道信噪比的降低的装置。

仍参看图12，一个可替换的、具有低频谱效用的卫星应答机线路结构常使用一个以上的高差变频器/发射机对，相应地就增加了选择组合器的数目和在组合器中分离N个接收机。（在极限情况下，每个接收机126-1至126-N常具有它自己的高差变频器和发射机）发射机将以不同频率进行工作，为把应答信号中继到地面站而启动多重联系通路。这一可替换结构可增加平均的应答信号通过量，但要以系统的频谱利用为代价。

地面站设备

本发明的地面站GS包括若干个子系统以进行下列工作：（1）产生和发射询问信号（IPG）（2）接收应答信号，对其解码并且测量到达时间，（3）依照应答信号的到达时间和从所存贮的地形等高线图中得到的信息对收发信机位置进行计算，（4）为将消息返回到特定的使用者收发信机而将位置信息编码并且发出，（5）将其它的给予特定的使用者收发信机的消息进行编码和发射，（6）将来自特定的使用者收发信机的其它选择信息进行接收、解码和导引。这些工作中的每一个将依照图13、14和15依次进行说明。

图13表示在地面站产生询问脉冲组（IPG）并将其发射的典型电路。询问速率由一个100Hz的振荡器78所确定，该振荡器通过一个单触发多谐振荡器80与寄存器输出时钟84和一个本地时钟82相耦合。寄存器输出时钟84将移动IPG，包括其中的任何信息，将其从并行一串行转换器86移到一个调制器88和功率放大器90。调制过的RF信号通过地面站的天线92被发射出来。单触发多谐振荡器80使本地时钟82产生一个数字输出T0，代表地面站的询问信号的发射时间。

图14表示可在地面站使用的典型电路，以接收从卫星S1和S2来的使用者的应答信号。应该指出，需要用个这样的电路：其中每一个与图2地面站GS中所示的两个接收天线中的每一个相对应。图14中的94表示一个这样的天线。天线的输出与一个宽带放大器96相连接，放大后的信号加至一解调器和位同步器102，以便从应答信号中获得使用者识别以及任选的消息。解调器102的系列输出被加至串行一并行转换器104，该转换器将检测到的数据码转成并行形式。图14中的图标符号DATA1（数据1）是指通过卫星S1的数据码。同样，图标符号DATA2（数据2）是指通过卫星S2的数据码。当然，图14的电路将仅产生DATA1或DATA2两个输出之中的一个，这要取决于天线94调到两个卫星S1、S2中的哪一个。

仍参看图14，宽带放大器96的输出有一个抽头连接到距离码检测器98。当所接收到的应答信号中发现存在有预定的距离码时该距离码检测器产生一输出。该检测器的出用来启动串行一并行转换器104，并且还触发一个来自本地时钟100的数字输出。时钟 输出表示应答信号到达地面站的时间，并且当应答信号由卫星S1中继时由T1表示，当应答信号由卫星S2中继时由T2表示。由于是数据输出，应该知道图14电路仅产生T1或T2两输出的其中之一，这取决于天线94所指向的特定卫星。

在为使用者的应答信号而使用CDMA技术时，如前所提及的，应该知道图14所示电路的某些元件应按所采用的不同PN码的数量加上一倍。这些改动对于本领域技术人员是很清楚的，无需再作详述。

图15表示地面站计算机的一个典型结构，该计算机是用于处理由图13和图14所示电路产生的时间测量以及其它的信息，并且产生本系统工作范围内各种使用者收发信机的位置信息。所示结构还提供对于地面站GS和使用者收发信机之间全部信息的处理，并且包括对在不同使用者收发信机之间，或者在使用者收发信机与本系统外的单元之间的其它信息进行导引。

地面站计算机的基本组件包括一输入数据缓冲器106、中央处理器108、存贮器110、输出数据缓冲器112、地形等高图（地形图）存贮单元114、以及一个消息处理器116。

本发明地形图存贮器114应是高速的，以支援为大量使用者所需的位置计算，并且，容量必须是大的，足以适应地理陈列中各高度点的数量。这种类型、容量、存取速度以及可使用的存贮器件的费用继续在迅速地改善。几年来，已有存取时间为15毫秒的、10¹⁰码组的存贮器。地图存贮器的确切性能在于高度值的量化、地形采样的分离、总工作区、总使用者数量、以及存贮数据的方式加以权衡。关于最后提及的因素，应该了解到，缓慢变化的地形高度区不需要山区地形那样高的坐标格密度。

对于本发明的诸目标，输入数据缓冲器106接收下列输入信息，所有这些信息都是由图13和图14的电路提供的，询问信号（IPG）发射时间T₀，从卫星S1来的应答信号到达时间T1，相应于S1应答信号的数据码DATA1（即：识别码，消息，和消息地址），从卫星S2来的应答信号到达时间T2，以及相应于S2应答信号的数据码DATA2。当这些输入信号出现在图13和图14的电路输出端时，可以给输入数据缓冲器106加上适当的造通脉冲信号（未示出），使这些输入信号装入该缓冲器。

地面站计算机的工作示于图16的流程图中。显然，信号数据码和从两颗卫星网的每一个取得的时间测量值通常不会同时出现在输入缓冲器上。因此，CPU108将仅装进现时应答信号数据码，并把时间测量值和信号数据码存入存贮单元322中，一但识别同一使用者收发信机的两个连续的返回的信号（来自两颗卫星S1和S2）被收到后，CPU108便确定信号的类型（如：在图8和图9例举的定位要求或信息传递要求）。对于定位要求，CPU108可以利用两个到达时间测量值和地形图存贮器114的内容，及存贮的某些常数或外部提供的参数一道，以经度和纬度来计算识别收发信机的位置。后者将包括两颗卫星S1和S2的位置，对系统的各种部分的线路延迟校准值，和某些位置模糊的分辨限定信息。计算出的位置和任意来自使用者收发信机的解码后的信息一道被送入输出数据缓冲器112，该缓冲器是给地面站所要求的输出装置服务的（如：显示监视器）。输出缓冲器112还给信息处理机116提供输入信号，面对特定的使用者收发信机的位置和情报信息进行IPG/编码。在完成位置或消息传递要求的处理之后，接着处理机再次检测输入缓冲器的新应答信号码，并且再重复这个工作过程。

飞机精确进场

虽然本发明主要用于地面的使用者，也可为不在地面的使用者服务。例如图17就表示了一种为着陆飞机118提供精确的进场导航的方法。假设飞机118上装备有前面描述的那种无线电收发信机，飞机的一条位置线LOP便可根据从两颗卫星S1和S2来的应答信号到达时间计算出来。然而，在这种情况下，飞机在LOP上的位置不是由所存贮的地形图来确定的，而是由其高度表所报告的飞机高度A确定的。例如，飞机高度可以包括在飞机对询问信号的应答中，用这一信息，飞机118在LOP上的位置能够以大约对应于飞机高度表精度的精确值来确定。从曲线图来看，飞机位于由两个点120和122所范围的LOP的一段上，这些点相应于高度表误差的最大范围。从计算出的飞机118的位置，和已知的飞机跑道124的位置，可沿参考椭球RE取得飞机的地面航迹126。沿地面航迹126上所有点处局部地形130的高度可由地面站GS的存贮的地形图来确定。根据计算出组地面航迹和地形高度信息，飞机118的进场路线128可在地面站进行计算，并以上/下和左/右方面控制的形式转发给飞机118。

不依靠从飞机上产生的高度表信息，也有可能为飞机118提供有用的进场导航。这一方法对带有最低成本的无线电收发信机的飞机尤其有用。在此情况下，地面站计算机依据飞机处于下滑面上正确高度的假设，来计算飞机沿LOP的位置（即：把LOP和下滑面之间的交叉点作为飞机位置）。为了使飞机在下滑面上，地面站向飞机118发送消息，提供左/右位置驾驰指令和飞机应当飞行的高度信息。如果飞行员通过比较这高度的消息和他在机上的高度表观察到的高度值来掌握这些高度，就会很少偏离下滑面。

选定的地形图的产生

如前面提到的，图15的地形图存贮单元114的内容可由政府方面以前汇集的信息组成。但是也有可能利用卫星定位系统来获得地形高度信息。图18表示了若干可以采用的方法。

如果假设在已知纬度（线132）和经度（线134）的无线电收发信机被地面站GS询问，显然，从定点的卫星（即：卫星S1）返回的信号将使地面站取得该收发信机的高度坐标。因此，通过在大量的已知地面位置上对收发信机T定位，就可计算出这些位置的地形高度并存贮起来。当然，应是假设收发信机的两个水平坐标能够预先由其它方法确定。

如果收发信机T只有一个水平坐标已知，可以通过两颗定点的卫星（即：卫星S1和S2）转发应答信号，让地面站GS计算出另一水平坐标和地形高度。如果用三颗定点的卫星S1，S2和S3，无线电收发信机能够随意移至地球表面任何位置，而无需预先知道其纬度或经度，在这一实施方案中，通过三颗卫星转发的应答信号使地面站GS能同时确定纬度、经度和地形高度。可以参照前面提到的美国专利4，359，733采用的三颗卫星获得一个三维位置坐标。

对于只含有两颗定点的卫星的系统，通过在地球面上移动一个带有精确的气压高度计的无线电收发信机便可作成一个精确的三维地形地图，无线电收发信机的数据被编码并同每一个应答一起把它们反馈给地面站，这一方法并不要预先了解收发信机的方位，如果与位于参考椭球RE上已知高度的基准点上的一个收发信机/高度计结合使用，将特别精确，但要和可移动的收发信机靠得足够近，以便两个高度计具有相同或相似气压的空气质量，实际上收发信机之间即使有几英里的距离，也可使本方法的误差不致于变大。

虽然已参照推荐实施方案对本发明进行了描述但应知道本发明并不限于这些细节。在不离开后面权项定义的本发明的本质和范围的基础上，可在所示的实施例中作出各种改进和替代。

Claims (6)

1、一种确定位于地球表面的使用者位置的系统，包括：

一个使用者携带的无线电收发信机，用来接收询问信号，并对所述询问信号发射应答信号；

地球上方轨道中有间隔的位置上的两颗卫星，每颗卫星载有接收和转发由使用者携带的无线电收发信机发出的应答信号的转发装置；以及

一个周期地发射询问信号，并接收、处理来自两颗卫星的转发应答信号的地面站，所述的地面站包括根据转发的应答信号到达地面站的时间来计算使用者位置的装置；

其特征在于地面站上的计算使用者位置的装置进一步包括一个提供地球表面若干点上局部地区高度的存贮地形图。

2、一种利用处于地球上方轨道中有间隔位置上的两颗中继卫星来确定位于地球表面使用者位置的方法，该使用者携带着一部无线电收发信机，用于对所接收到的询问信号发射应答信号，该方法包括步骤：

以一已知的或测得的时间向使用者发射询问信号;

通过两颗卫星中的每一个接收来自使用者的应答信号;

测定通过两颗卫星收到的应答信号的到达时间;

根据通过两颗卫星的应答信号到达时间和询问信号发射时间来计算使用者的位置;

其特征在于地面使用者位置的计算还要根据地面上使用者的高度，该高度是从提供地球表面若干点上局部地区高度的存贮地形图得到的。

3、一种利用地球上方轨道有间隔位置上的两颗中继卫星给着陆的飞机提供进场导航的方法，该飞机有对接收到的询问信号发射应答信号的收发信机，该方法包括下列步骤：

以已知或测得的时间向飞机的收发信机发射询问信号;

通过两颗卫星其中的一个接收来自飞机无线电收发信机的应答信号;

根据经两颗卫星的应答信号到达时间和询问信号发射时间来计算飞机的位置线;

由飞机高度表提供的高度信号来确定飞机在位置线上的大约方位;

其特征在于所述的方法还包括下列步骤：

参照能提供地球表面上若干点上的局部地形高度的存贮的地形图来确定沿地面航迹的地形高度;

根据地面航迹和从所存贮的地形图中获得的地形高度来计算飞机的进场通道;以及

给飞机提供方向控制，协助飞机进入该进场通道。

4、一种利用地球上方轨道有间隔的位置上的两个中继卫星给着陆的飞机提供进场导航的方法，该飞机装有对所接收的询问信号发出应答信号的无线电收发信机，该方法包括如下步骤：

以一已知的或测得的时间向飞机收发信机发射询问信号;

通过两个卫星的其中一个接收来自飞机收发信机的应答信号;

根据通过两颗卫星的应答信号到达时间和询问信号发射时间计算飞机的位置线;

其特征在于所述方法还包括下列步骤：

由位置线和预定的下滑面之间的交叉来计算飞机方位;以及给飞机提供表示所希望的下滑面上高度的高度信息。

5、一种确定地球表面多点上局部地区高度的方法，该方法包括步骤：

在地球表面上的第一位置放置一个无线电收发信机，该无线电收发信机所在的经度、纬度和高度三参数中的一个或多个是未知的，所述无线电收发信机的工作是对收到的询问信号发出应答信号;

向所述无线电收发信机发送询问信号;

通过地球上方轨道上的一颗或多颗中继卫星接收来自该无线电收发信机的应答信号;

根据询问信号的发射时间和来自卫星的应答信号的到达时间来计算未知的经度、纬度和/或该无线电收发信机的地区高度;

其特征在于所述的方法还包括步骤：

将所述地区高度作为经度和纬度的函数存贮到地形图存贮器中;以及

将该无线电收发信机移到第二位置，并重复前述方法中的各步骤。

6、按照权利要求5所述的方法，特征还在于，由所述的无线电收发信机发送的应答信号包括从联接所述无线电收发信机的高度传感器获得的高度信息。

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