CN102203632A - 用于监控定位系统的卫星星座的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监控系统（1），其包括至少一个监控卫星（S2），所述监控卫星以低于卫星星座（2）的卫星（S1）的高度的高度被置于轨道（O2）中，以能够接收所述卫星（S1）向地球（T）发射的定位信号，和其包括处理单元（11），用于检查所述所接收的定位信号的完整性，使用独立于为此目的的所述信号的位置信息。

Description

用于监控定位系统的卫星星座的系统

技术领域

本发明涉及一种用于监控卫星星座的系统。

尤其是，本发明涉及检查定位信号，所述定位信号来自例如GALILEO（伽利略）、GPS（全球定位系统）或GLONASS（全球导航卫星系统）类型的常用卫星定位系统的（定位）卫星。

背景技术

如已知的，卫星定位系统包括在环绕地球的平均高度轨道（为大约25000 km）上安置的卫星的星座。这样的卫星和其轨道在本领域中通常分别被称为“MEO 卫星”和“MEO轨道”（针对“中地球轨道（Medium Earth Orbit）”）。MEO卫星均匀地分布于多个轨道平面中，因此在地球的任何点，用户都能够看到多个MEO卫星，也就是与它们直接连接（至少三个，但是如果用户想知道其高度，则四个），并且从其推断出其自己的地面坐标。每一个MEO卫星都载有高稳定性和精度原子钟，以及向用户发送定位信号的电子设备，所述定位信号包括正确的时间（被恢复为共用基准）和卫星的星历表。根据接收自多个MEO卫星的这样的定位信号，用户确定其与各个可见卫星的距离，从而从其推断出其在地面坐标中的位置。本发明旨在检查这样的定位信号的完整性。

已知通常的解决方案使用专门为此的地面站。这样的固定站持久地将（通过定位信号）接收自卫星的信息与它们准确已知的实际位置相比较，以使得可能地检测接收信号中的一致性误差。可能的局部偏差被传输至一个或多个控制中心，所述控制中心处理信息并且识别一个或多个传输错误的定位信号的卫星。来自所接收的定位信号的这样的质量信息之后被传输给用户，使得所述用户在其定位计算中忽视错误的信号。

所接收的定位信号中的误差原因可被分为两大类，即：

- 由于卫星引起的共同误差。这样的误差主要是因为提供时间基准的星载时钟的漂移、卫星轨道参数的漂移或卫星上的处理异常；和

- 由于通过大气的信号传播和/或由于局部多路径现象引起的局部误差。这样的误差随时间变化，同时只影响有限数量的用户，并且不属于无法纠正所述误差的操作者的直接责任，因为它们取决于自然物理现象。

由于卫星定位系统都使用对卫星发出的定位信号的到达时间差的测量来计算地面位置，并且由于上面列出的两个误差类别有相同的效果、也即用户所接收的信号的时间误差，容易混淆局部传播误差和卫星发送的信号的时间误差。为了试图解除这一模糊性，专门的处理中心收集来自地面上的多个站的信息，并且，通过基本统计运算，把共同误差部分与局部误差部分分开。事实上，只有共同误差部分、也即那些由一个或多个卫星引起的部分，值得向所有用户传输。这一复杂处理是耗费时间的，因为涉及必须要等待足够的信息来无任何模糊性地将对一个或多个站是局部的部分（如电离层效应或导致多路径的星座的几何形状）与对所有站是共同的部分进行区分，和其只能位于一个或多个卫星上的原因。

所有的用户在其定位运算中都将会出错，直到完成对错误的一个或多个卫星的肯定的识别为止，具有潜在的严重后果，特别是就移动设备而言。易于理解的是，对于这样的定位系统的任何操作者来说，减少错误的（卫星）定位信号的识别时间是优先的，目的是向用户确保其系统的质量。

发明内容

本发明的目的是弥补上述弊端。本发明涉及一种监控系统，用来监控属于例如GPS、GALILEO或GLONASS类型的定位系统的卫星星座所发射的定位信号，并且使得上述弊端得以弥补。

为此，根据本发明，所述监控系统是卓越的，在于其具有：

- 至少一个监控卫星，其以低于所述卫星星座的卫星的高度的高度被置于轨道中，以使得接收这些卫星向地球发射的定位信号，并且具有至少下述的星载装置：

▪至少一个接收器，其能直接接收所述卫星星座的卫星所发射的定位信号；

▪至少一个处理单元，其被形成以使得检查所述所接收的定位信号的完整性，使用独立于这些定位信号的位置信息，和确定如果需要的话具有所发射的错误的定位信号的一个或多个卫星；和

▪至少一个发射器，其能够向地球发射完整性数据，所述完整性数据表明如果需要的话具有错误的定位信号的所述卫星星座的一个或多个卫星；

- 至少一个安置于地球上的控制中心，用于控制所述监控卫星，确定其轨道，并且具有能够接收这样的监控卫星所发射的完整性数据的装置；和

- 至少一个完整性消息分配中心，其安置于地球上，并且具有：

▪用于接收来自监控卫星的由所述控制中心传输的完整性数据的装置；

▪用于根据这样的完整性数据确定与定位系统的所述卫星星座的卫星有关的完整性消息的装置；和

▪用于向用户发射这样的完整性消息的装置。

因此，由于本发明，不使用地面上提供的固定站用于监控定位系统的卫星的星座，监控系统使用至少一个监控卫星，该监控卫星处于低于所述卫星星座的卫星的高度的高度，以使得能够接收由后者发射的定位信号（并且用于该定位系统的用户），但是被置于轨道中，以使得避免在此如上所述的局部误差发生，更具体地说，是由于局部多路径现象或者传播延迟引起的。

因此，获得一种特别可靠的监控系统，尤其是通过使用为此目的独立于所述定位信号的位置信息，使得能够自主地迅速地和无任何模糊性地检测受监控的定位系统的一个或多个卫星所发射的错误的定位信号。

在一个优选的实施方式中，所述监控系统包括多个在此如上所提及的监控卫星，其全都被置于比星座的卫星低的轨道处，并且实施如上所述功能。

有利的是，每一个监控卫星进一步包括星载辅助装置，使得能够确定（借助于从所述控制中心接收的信息）所述监控卫星的空间中的第一位置，而不使用该卫星星座的卫星所发射的所述定位信号，并且所述处理单元包括：

- 第一装置，用于借助于从卫星星座的卫星所接收的所述定位信号计算至少一个第二位置，

- 第二装置，用于比较所述第一和第二位置；和

- 第三装置，用于如果需要的话从中推断错误的定位信号的存在。

更进一步地，在一个优选的实施方式中：

- 所述第一装置被形成以使得计算多个第二位置，每一个所述第二位置通过使用接收自所述卫星星座的卫星子群的定位信号来计算，每一个所述子群包括第一相同预定数量的卫星（例如4个卫星）并且两个任何子群共同地每次具有至多一个第二预定数量的卫星（例如2个卫星）。

- 所述第二装置被形成以便将这些第二位置中的每一个和所述第一位置进行比较；和

- 所述第三装置被形成以便借助于所述第二装置实施的比较的结果和所述子群的构成来确定具有错误的定位信号的一个或多个卫星。

更进一步地，每一个监控卫星另外包括与所述接收器相关联的单个接收天线，其被定位以使得避免多路径，并且被一个电磁保护屏围绕以消除不希望的传播模式（通过在所述监控卫星的结构上的定位信号的反射或衍射），使得能够消除最频繁的可能干扰天线对信号接收的现象。

在一个优选的实施方式中，所述一个或多个监控卫星被置于轨道处，所述轨道：

- 具有比电离层的致密层的高度更高的高度，从而避免由定位信号穿过电离层的致密层所导致的电离层延迟发生；和/或

- 具有与卫星星座的所述卫星的轨道平面不同的平面，以使误差检测精度最大化。

更进一步地，在一个优选的实施方式中，所述控制和分配中心被置于同一地点并属于同一单个管理中心。

此外，有利的是，所述控制中心还包括：

- 用于遥控每一个所述监控卫星的装置；和

- 用于计算所述一个或多个监控卫星的轨道参数和用于更新在这样的一个或多个监控卫星上的处理单元的装置。

更进一步地，有利的是，所述分配中心还包括在完整性消息被发射前对所述完整性消息编码的编码装置，以便使这些信息的使用局限于特定的具有适当解码装置的客户（例如已经签约）。

附图说明

附图的图将更好地诠释能够如何实施本发明。在这些图中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1示意地显示了根据本发明的监控系统的结构。

图2示意地示出属于根据本发明的监控系统的监控卫星上的主装置。

图3是根据本发明的监控卫星的处理单元的框图。

图4和5分别示意地示出控制中心和分配中心的主装置。

具体实施方式

根据本发明且根据图1的示意结构所示的监控系统1用于监控例如GALILEO、GPS、GLONASS类型以及诸如EGNOSS（欧洲同步导航覆盖卫星系统）的增多的卫星的常用卫星定位系统。

图1仅代表这样的定位系统的卫星星座2。这样的卫星星座2包括在轨道O1处被置于环绕地球T的轨道中的多个卫星S1，所述轨道通常具有平均高度（为大约20000至25000 km）。

根据本发明的监控系统1更特别地目的在于监控定位系统的这样的卫星星座2的卫星S1所发射的定位信号。通常已知，这样的定位信号被定位系统的用户用来尤其确定其位置，并且可选地其速度。

根据本发明，为该目的，所述监控系统1包括：

- 至少一个、但优选多个监控卫星S2。这样的监控卫星S2在轨道O2处被置于环绕地球T的轨道中，所述轨道具有范围为例如从2000至3000米的高度，低于所述卫星星座2的卫星S1的高度（约20000至25000 米），以接收如箭头E所示的由许多个卫星S1向地球Τ发射的定位信号；

- 至少一个安置在地球T上的控制中心3，其控制所述监控卫星S2，并且包括能够接收这样的监控卫星S2发射的完整性数据的装置4。控制中心3和监控卫星S2之间的数据传输链路L1是常用类型的，基于电磁波；以及

- 至少一个安置在地球Τ上的完整性消息分配中心5，包括，如图5所示：

▪装置6，用于接收由所述监控卫星S2所发射并由所述控制中心3所传输的完整性数据；

▪装置7，用于根据这样的完整性数据确定与该定位系统的所述卫星星座2的卫星S1有关的完整性消息。这样的完整性消息清楚地识别如果需要的话发射错误的定位信号的一个或多个卫星S2；和

▪装置8，用于向用户发射这样的完整性消息。

定位系统的用户因此可以忽略完整性消息中所识别的卫星S1所接收的定位信号，并且只使用完整卫星信号S1。

此外，根据本发明，该系统1的监控卫星S2中的每一个都包括至少如下所述的星载装置，如图2所示：

- 至少一个接收器9，其能够通过相关联的天线10接收所述卫星星座2的卫星S1发射的定位信号；

- 至少一个处理单元11，其被形成以便检查通过链路12接收的所述定位信号的完整性，使用独立于这样的定位信号的位置信息（如下描述的）。此外，这样的处理单元11被形成以使得确定如果需要的话具有所发射的错误的定位信号的一个或多个卫星S1；和

- 至少一个发射器13，其借助于相关联的天线14能够向地球T发射如链路L1所示的从处理单元11接收的完整性数据（通过链路15），并且表明如果需要的话所述卫星星座2的一个或多个卫星S1，其定位信号是错误的。

该监控系统1因而能够独立地检查受监控的定位系统的完整性，能够向尤其是所述定位系统的用户广播关于卫星S1所发射的定位信号的质量的信息。

使用监控卫星S2、而不是固定地面站的好处尤其是在于从这样的监控卫星S2接收的定位信号没有任何例如多路径的局部误差。通过这种类型的监控卫星S2，该监控系统1因而能够进行迅速自主检测，而无该定位系统的卫星星座2的一个或多个卫星S1所发射的错误的定位信号的模糊性。

在一个优选的实施方式中，所述监控卫星S2被置于轨道O2处，所述轨道：

- 具有比电离层的致密层的高度更高的高度，从而避免由定位信号穿过电离层的致密层所导致的电离层延迟发生；和/或

- 具有与所述卫星S1的轨道O2的平面不同的平面，以使误差检测精度最大化。

此外，在一个优选的实施方式中，每一个监控卫星S2都具有载于其上的如图2所示的如下设备，其中一些在前文中已经提及到：

- 定位信号的接收天线10。这样的天线10被定位使得通过在监控卫星S2的结构上的定位信号的折射或衍射的多路径不可能。为此，如果需要，这样的天线10还可以配备有常用的电磁保护屏（未示出）以用来消除这样的天线10周围不希望的传播模式；

- 一个或多个接收器9，提供关于该定位系统的卫星星座2的监控卫星S2的天线10的位置，以及时间信息；

- 良好稳定性时钟16，提供独立于卫星星座2的时间基准；

- 一个或多个处理单元11，用于处理星载接收器9和时钟16所传输的信息（通过链路12和17），并且被形成以便检测是否一个或多个定位卫星S1发射错误的定位信号，如下文中所述的；

- 该发射器13和其天线14，以与定位信号的频率不同的频率运行，并且传输一个或多个处理单元11所执行的处理结果；和

- 任何卫星的常用元件和功能性的组18，尤其是用于：

▪引导（piloter）高度并且纠正监控卫星S2的轨道O2；

▪供应需要的电力；和

▪为星载设备提供合理的热环境。

在本发明的范围内，监控卫星S2上的一个或多个星载处理单元11执行卫星S2的管理操作，以及特定于监控任务的操作。特别地，为了执行后者操作，星载处理单元11具有如下装置，如图3所示：

- 装置19，用于根据接收自卫星星座2的定位信号计算待监控的卫星S1的三维位置和速度。这样的信号在均匀分布的子群中被使用。每一个子群包括给定数目的卫星，例如四个卫星，至多对两个子群共用的其给定数目（例如2个）；

- 装置20，用于管理卫星的轨道参数和星载时间的传播。这样的参数是从控制中心3最初加载的。

- 装置21，用于产生完整性数据，所述完整性数据识别如果需要的话其定位信号是错误的一个或多个卫星S1。这样的完整性数据将被传输至控制中心3和定位系统的用户；和

- 装置22，用于监控监控卫星S2的运行状态和特别的是所计算的三维位置和星载传播的三维位置之间的一致性，从而能够检测卫星上有效载荷的异常。

为此，监控卫星S2的特性能够被利用，其中对于一个单个卫星S2而言，不能存在多个真实的三维位置，因为一个单个卫星S2只具有单个接收天线10。当监控卫星S2的重心接近接收天线10的位置时，这样的条件甚至更精确地被满足；对于大小典型地小于1米且其高度在某些程度上已知的小卫星来说，这样的条件被满足。在卫星S2在其重心和其接收天线10之间具有更大距离的情况中，装置22可以具有计算装置，用于根据卫星S2的高度执行纠正，以便保持在轨道O2上的重心的估计位置和提供所计算的三维位置的接收天线10的位置之间的一致性。

而且，根据本发明，所述装置19将针对每一个子群的所计算的3D位置和由从所述控制中心3所接收的监控卫星S2的轨道参数估计的独立位置进行比较，以确定是否有偏差（高于预定值）。在没有明显偏差的情况下，处理单元11得出结论：

- 一方面，使用轨道参数所计算的独立位置是正确的；并且

- 另一方面，所考虑的子群的卫星发射的定位信号都是可靠的，因为从统计学上来说在这样的情形中存在两个补偿误差是不可能的。

相反地，在检测到显著的偏差的情况下，所述装置19执行回归计算，以确定哪一个或哪一些卫星S1传输错误的信号。计算原则为，如果子群中的一个显示出相对于所估计的独立位置的显著偏差，则这样的子群包含至少一个具有错误的定位信号的卫星S1。因此，通过对这样的子群的卫星S1以及其他子群的卫星S1进行一系列排列（permutations），所述装置19能够迅速将位于所检测出的一个或多个误差的起源处的一个或多个卫星S1隔离。

在简化的（未示出的）实施方式中，控制中心3和分配中心5位于地球T上的同一地点并且属于同一个单个管理中心。

所述控制中心3特别地包括，如图4所示：

- 所述装置4，用于接收监控卫星S2发射的完整性数据；

- 装置24，用于通过链路S1遥控所述监控卫星S2；

- 装置25，用于计算所述监控卫星S2的轨道参数和用于更新这样的监控卫星S2上的处理单元11；和

- 装置26，用于向分配中心5发射完整性数据，如图1通过链路L2所示。

除了如上文所提及的装置6、7和8，所述分配中心5进一步包括编码装置28，用于在完整性消息（由装置7生成）被发射（利用装置8）至用户前对其编码，使得只有授权或者付费用户才能够解码完整性信息。解密密钥的分配可以通过常用的安全装置进行。可按照如下方式（向用户）发送完整性信息：

- 通过互联网；或

- 通过无线电波；或

- 通过现有手段或特殊手段（无线电或电视，通讯卫星，EGNOSS，等等）。

Claims (10)

1.监控系统，用于监控属于定位系统的卫星星座（2）所发射的定位信号，所述监控系统（1）包括：

- 至少一个监控卫星（S2），具有至少下述星载装置：

▪ 至少一个接收器（9），其能够直接接收所述卫星星座（2）的卫星（S1）所发射的定位信号；和

▪ 至少一个发射器（13），其能够向地球（T）发射完整性数据，所述完整性数据表明如果需要的话所述卫星星座（2）的一个或多个卫星（S1），其定位信号是错误的；

- 至少一个安置于地球上的控制中心（3），其控制所述监控卫星（S2），并且具有能够接收这样的监控卫星（S2）所发射的完整性数据的装置（4）；和

- 至少一个完整性消息分配中心（5），其安置于地球（T）上，并且具有：

▪ 用于接收来自监控卫星（S2）的由所述控制中心（3）传输的完整性数据的装置（6）；

▪ 用于根据这样的完整性数据确定与定位系统的所述卫星星座（2）的卫星（S1）有关的完整性消息的装置（7）；和

▪ 用于向用户发射这样的完整性消息的装置（8），

其特征在于，所述监控卫星（S2）以低于所述卫星星座（2）的卫星（S1）的高度的高度被置于轨道（O2）上，以使得能够接收这样的卫星（S1）向地球（T）发射的定位信号，并且所述监控卫星（S2）进一步包括至少一个处理单元（11），其被形成以使得检查所接收的定位信号的完整性，使用独立于这样的定位信号的位置信息，确定如果需要的话具有所发射的错误的定位信号的一个或多个卫星（S1）和形成相应的完整性数据。

2.根据权利要求1所述的监控系统，其特征在于，其包括多个监控卫星（S2）。

3.根据权利要求1和2任一项所述的监控系统，其特征在于，每一个监控卫星（S2）进一步包括星载辅助装置（19），允许确定所述监控卫星（S2）的空间中的第一位置，而不使用卫星星座（2）的卫星（S1）所发射的所述定位信号，并且所述处理单元（11）包括：

- 第一装置（19），用于借助于从卫星星座（2）的卫星（S1）所接收的所述定位信号计算至少一个第二位置；

- 第二装置（21），用于比较所述第一和第二位置；和

- 第三装置（21），用于如果需要的话从中推断错误的定位信号的存在。

4.根据权利要求3所述的监控卫星，

其特征在于，

- 所述第一装置（19）被形成，以使得计算多个第二位置，借助于接收自所述卫星星座（2）的卫星子群的定位信号对每一个所述第二位置进行计算，每一个所述子群包括一个第一相同预定数量的卫星并且两个任何子群每次共同地具有至多第二预定数量的卫星；

- 所述第二装置（21）被形成，以使得将这些第二位置中的每一个和所述第一位置进行比较；和

- 所述第三装置（21）被形成，以使得通过使用所述第二装置（21）实施的比较的结果和所述子群的构成确定如果需要的话具有错误的定位信号的一个或多个卫星。

5.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，每一个监控卫星（S2）进一步包括与所述接收器（9）相关联的单个接收天线（10），其被定位以使得避免多路径并且被一个电磁保护屏围绕用于消除不希望的传播模式。

6.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，每一个监控卫星（S2）被置于具有比电离层的致密层的高度更高的高度的轨道（O2）处。

7.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，每一个监控卫星（S2）被置于具有与所述卫星星座（2）的卫星（S1）的轨道（O1）的平面不同的平面的轨道（O2）处。

8.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，所述控制和分配中心位于同一地点并且属于同一单个管理中心。

9.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，所述控制中心（3）进一步包括：

- 用于遥控每一个监控卫星（S2）的装置（24）；和

- 用于计算每一个监控卫星（S2）的轨道参数和用于更新每一个监控卫星（S2）上的处理单元（11）的装置（25）。

10.根据上述任何一项权利要求的监控系统，

其特征在于，所述分配中心（5）进一步包括用于在完整性消息被发射至用户前对所述完整性消息编码的编码装置（28）。

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