CN107852226B - 用于空中交通管制的低地球轨道卫星及其使用与系统 - Google Patents

用于空中交通管制的低地球轨道卫星及其使用与系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于空中交通管制的低地球轨道卫星。一个或多个LEO卫星充当控制塔台与飞行器之间的链路。所述一个或多个LEO卫星适于a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS‑B信号；b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；以及c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号。

Description

用于空中交通管制的低地球轨道卫星及其使用与系统
技术领域
本发明涉及用于空中交通管制的低地球轨道卫星。
背景技术
空中交通管制牵涉人类员工与多架飞机的飞行员通信、关于飞行简档（包括海拔和方位路线）指示他们以便避免碰撞。飞行器一般在起飞之前提交指示它们的路线的“飞行计划”；并且根据这些，管制员具有关于飞行器的可能位置和轨迹的某些初始信息。然而，飞行计划固有地经受变化（例如，由于起飞的延迟；由于顶风或顺风引起的速度的改变；以及所准许的通过飞行员对海拔或航线的修改）。在繁忙领域（通常接近机场的那些）中，通过管制员对飞行器的重要战术控制是必要的。
从主要和辅助雷达单元（诸如陆地ADS-B接收器站）为管制员供应关于飞行器的位置和海拔的数据，并且管制员针对诸如海拔、航向和速度之类的信息询问飞行员。他们通过无线电指示飞行员维持其航向和速度，以预确定的方式更改其航向和速度，或者维持或更改其海拔（例如，以爬升至某一海拔或者降低至某一海拔）以便维持飞行器之间的最小安全分离并且因而避免碰撞的危险。
为了优化繁忙领域中的空中交通管制，将有利的是在飞行器到达该领域之前及时地获得与飞行器的联系。然而，控制塔台受其无线电范围限制，以及受关于飞行器离处在无线电联系内多么接近的有限精确了解限制。
因此提供一种用于空中交通管制的系统是合期望的，其可以克服这些问题中的一些。
发明内容
本发明的发明人已经提供了一种能够优化繁忙领域中的空中交通管制的系统。该系统能够在飞行器到达该领域之前及时地获得与飞行器的联系。
本发明的第一方面涉及用于空中交通管制的低地球轨道LEO卫星的使用；其中LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
其中LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上将所述信号再发射到飞行器，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
本发明的第一方面涉及用于空中交通管制的低地球轨道LEO卫星的使用；其中LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息。
从控制塔台接收/向控制塔台发射的信号可以例如是经由L-、S-、C-和/或E-波段。
现今，利用主要表面雷达（PSR）和辅助表面雷达（SSR）来追踪飞行器。最近，利用自动相关监视广播（ADS-B），还利用与雷达互补的ADS-B地面站追踪空中运输飞行器已经变得可能。ADS-B信号没有被指引至特定的接收器，而是可以由广播发射器的范围内并且在技术上能够接收信号的任何接收器进行接收。
ADS-B的原理是通过装备有适当发射器的每个飞行器对现有板上数据的自动、周期性且无地址的广播。要广播的数据可以例如是飞行器的位置、海拔、速度矢量、意向和/或呼号、或者飞行器类别等。数据广播大多是在1090MHz的航空频率下执行。广播数据可以在ADS-B地面站处接收，ADS-B地面站监视此频率并且提取模式-S 1090MHz。用于ADS-B信号的广播的替换技术是在978MHz下操作的普遍接入收发器。
然而，许多海洋和非洲的飞行情报区域（FIR）是通过陆地系统不可达到的。因此，发明人已经提出使用卫星来访问来自存在于空域中的飞行器的ADS-B信号。在没有雷达覆盖的区域中，或者在没有由陆地ADS-B接收站提供的覆盖的区域中，使用卫星解决该问题。
卫星是低地球轨道卫星。较高的轨道将导致较弱的信号，使得技术实现更具挑战性。
将卫星构造为控制塔台与飞行器之间的链路。优选地，它应当能够提供用于双向通信的装置（means）。
在一个或多个实施例中，LEO卫星适于：
- 从控制塔台接收信号并且向控制塔台发射信号；和/或
- 从飞行器接收VHF信号并且向飞行器发射VHF信号。
使用较近轨道中的卫星（LEO卫星）实现了明显更高的地面水平信号强度。通过使天线射束转向来以重复模式覆盖不同地理区域，实现了宽区域覆盖。然而，这些较低轨道必然导致控制塔台/飞行器与卫星之间的显著相对速度，导致可变多普勒频移，这减损了接收器灵敏度，使得信号采集极其困难。因而，发明人已经开发了一种补偿多普勒频移的卫星。
在一个或多个实施例中，LEO卫星进一步适于从控制塔台接收信号，并且在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
将卫星用作控制塔台和飞行器之间的链路的另一问题是来自卫星的信号可能干扰在该区域中使用的其它频率。
在一个或多个实施例中，LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在其中利用标称地25kHz分离进行操作的航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器再发射所述信号。这将使信号的干扰最小化。
在一个或多个实施例中，该区域通过来自飞行器ADS-B信号的信息来标识。
在一个或多个实施例中，LEO卫星进一步适于：
- 检测来自飞行器的VHF信号；
- 校正多普勒频移；以及
- 向控制塔台再发射所述VHF信号。
在一个或多个实施例中，LEO卫星进一步适于从飞行器向处于较接近控制塔台的位置中的另一LEO卫星再发射ADS-B信号和/或VHF信号。
在一个或多个实施例中，LEO卫星进一步适于从控制塔台向处于较接近飞行器的位置中的另一LEO卫星再发射所述信号。
在各种替换的布置和优选的实施例中，执行各个卫星之间的数据发射以用于数据考核分析、收集和/或分布式处理。
在一个或多个实施例中，通过卫星将从ADS-B信号提取的信息转换成空中交通管制（ATC）标准协议，并且将其转发到地面站（ATC或其他用户）。
第三方面涉及一种用于空中交通管制的系统，包括：
- 一个或多个LEO卫星，适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
- 一个或多个控制塔台，适于从LEO卫星接收信号和/或向LEO卫星发射信号；
其中LEO卫星进一步适于从控制塔台接收信号，并且在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
第四方面涉及一种用于空中交通管制的系统，包括：
- 一个或多个LEO卫星，适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息，
- 一个或多个控制塔台，适于从LEO卫星接收信号和/或向LEO卫星发射信号。
在一个或多个实施例中，系统和/或控制塔台还适于从LEO卫星接收ADS-B信号。
在各种替换的布置和优选实施例中，系统包括多个卫星，其中在各个卫星之间执行数据发射以用于数据考核分析、收集和/或分布式处理。
第五方面涉及一种用于空中交通管制的LEO卫星，LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
其中LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
第六方面涉及一种用于空中交通管制的LEO卫星，LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息。
在一个或多个实施例中，LEO卫星还适于向控制塔台再发射ADS-B信号。
在一个或多个实施例中，卫星还包括适于作为自动相关监控再广播ADS-R而向其它卫星或向飞行器再广播所接收的ADS-B信号的装置。
第七方面涉及一种用于空中交通管制的LEO卫星，所述LEO卫星包括：
a）用于从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号的装置；
b）用于从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号的装置；
c）用于从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号的装置；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息。
在一个或多个实施例中，用于向飞行器发射VHF信号的装置被配置用于在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上进行发射，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
在一个或多个实施例中，用于向飞行器发射VHF信号的装置被配置用于在其中利用标称地25kHz分离操作航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器发射信号。这将使信号的干扰最小化。
应当指出，在本发明的各方面之一的上下文中描述的实施例和特征还适用于本发明的其它方面。
附图说明
图1示出了依照本发明的各种实施例的用于空中交通管制的系统；以及
图2示出了依照本发明的各种实施例的用于空中交通管制的LEO卫星。
具体实施方式
下面作为优化繁忙领域中的空中交通管制的解决方案来描述本发明的一般方面。该系统能够在飞行器到达该领域之前及时地获得与飞行器的联系。
在图1中示出了依照本发明的各种实施例的用于空中交通管制的系统100的示意图。系统包括一个或多个卫星110和控制塔台120。
所述一个或多个LEO卫星110适于从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号。由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息。该信息可以直接地中继至控制塔台120，或者可以被中继至另一LEO卫星，并且然后中继至控制塔台120。此信息对于控制塔台120是重要的以用于使它们计划用于将要进入给定领域的飞行器的飞行简档。
需要向飞行员告知关于其飞行计划中的任何改变。因而，为了适时地告知飞行员，LEO卫星110还适于从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；以及适于从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号。
所述一个或多个控制塔台120还应当适于从LEO卫星110接收信号和/或向LEO卫星110发射信号。
在图2中，示出了用于空中交通管制的LEO卫星。
LEO卫星110包括：
a）用于从飞行器10接收自动相关监视广播ADS-B信号的装置118；
b）用于从控制塔台120接收信号和/或向控制塔台120发射信号的装置116；以及
c）用于从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号的装置112。
还将LEO卫星110示出为包括用于从另一LEO卫星接收信号和/或向另一LEO卫星发射信号的装置114。
用于向飞行器发射VHF信号的装置112配置用于在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上进行发射，并且其中补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
用于向飞行器发射VHF信号的装置112还配置用于在其中利用标称地25kHz分离操作航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器发射信号。这将使信号的干扰最小化。
参考
10 飞行器
100 系统
110 LEO卫星
112 用于从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号的装置
114 用于从另一LEO卫星接收信号和/或向另一LEO卫星发射信号的装置
116 用于从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号的装置
118 用于从飞行器接收ADS-B信号的装置
120 控制塔台。

Claims (18)

1.低地球轨道LEO卫星用于空中交通管制的使用，其中所述LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
其中LEO卫星还适于从控制塔台接收用于维持或更改所述飞行器的航向和速度或者维持或更改所述飞行器的海拔的信号，并且在飞行器到达繁忙领域之前，在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中所述补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
2.根据权利要求1所述的使用，其中LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在其中利用标称地25kHz分离操作航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器再发射所述信号。
3.根据权利要求2所述的使用，其中所述区域通过来自飞行器ADS-B信号的信息进行标识。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的使用，其中LEO卫星还适于：
- 检测来自飞行器的VHF信号；
- 校正多普勒频移；以及
- 向控制塔台再发射所述VHF信号。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的使用，其中LEO卫星还适于从飞行器向处于较接近控制塔台的位置中的另一LEO卫星再发射ADS-B信号和/或VHF信号。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的使用，其中LEO卫星还适于从控制塔台向处于较接近飞行器的位置中的另一LEO卫星再发射所述信号。
7.一种用于空中交通管制的系统（100），包括：
- 一个或多个LEO卫星（110），适于：
a）从飞行器（10）接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台（120）接收信号和/或向控制塔台（120）发射信号；
c）从飞行器（10）接收VHF信号和/或向飞行器（10）发射VHF信号；
其中由飞行器（10）发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
- 一个或多个控制塔台（300），适于从LEO卫星接收信号和/或向LEO卫星发射信号；
其中LEO卫星还适于从控制塔台接收用于维持或更改所述飞行器的航向和速度或者维持或更改所述飞行器的海拔的信号，并且在飞行器到达繁忙领域之前，在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中所述补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
8.根据权利要求7所述的用于空中交通管制的系统，其中LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在其中利用标称地25kHz分离操作航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器再发射所述信号。
9.根据权利要求8所述的用于空中交通管制的系统，其中所述区域通过来自飞行器ADS-B信号的信息来标识。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的用于空中交通管制的系统，其中LEO卫星还适于从飞行器向处于较接近控制塔台的位置中的另一LEO卫星再发射ADS-B信号和/或VHF信号。
11.根据权利要求7-9中任一项所述的用于空中交通管制的系统，其中LEO卫星还适于：
- 检测来自飞行器的VHF信号；
- 校正多普勒频移；以及
- 向控制塔台再发射所述VHF信号。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的用于空中交通管制的系统，其中LEO卫星还适于从控制塔台向处于较接近飞行器的位置中的另一LEO卫星再发射所述信号。
13.一种用于空中交通管制的LEO卫星，所述LEO卫星适于：
a）从飞行器接收自动相关监视广播ADS-B信号；
b）从控制塔台接收信号和/或向控制塔台发射信号；
c）从飞行器接收VHF信号和/或向飞行器发射VHF信号；
其中由飞行器发射的ADS-B信号包括关于飞行器位置、速度和方向的信息；
其中LEO卫星还适于从控制塔台接收用于维持或更改所述飞行器的航向和速度或者维持或更改所述飞行器的海拔的信号，并且在飞行器到达繁忙领域之前，在用于补偿多普勒频移的经补偿的VHF频率上向飞行器再发射所述信号，并且其中所述补偿是基于来自飞行器ADS-B信号的信息。
14.根据权利要求13所述的用于空中交通管制的LEO卫星，其中LEO卫星还适于从控制塔台接收信号，并且在其中利用标称地25kHz分离操作航空VHF信道的区域中在8.33kHz的窄发射带宽下向飞行器再发射所述信号。
15.根据权利要求14所述的用于空中交通管制的LEO卫星，其中所述区域通过来自飞行器ADS-B信号的信息来标识。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的用于空中交通管制的LEO卫星，其中LEO卫星还适于从飞行器向处于较接近控制塔台的位置中的另一LEO卫星再发射ADS-B信号和/或VHF信号。
17.根据权利要求13-15中任一项所述的用于空中交通管制的LEO卫星，其中LEO卫星还适于：
- 检测来自飞行器的VHF信号；
- 校正多普勒频移；以及
- 向控制塔台再发射所述VHF信号。
18.根据权利要求13-15中任一项所述的用于空中交通管制的LEO卫星，其中LEO卫星还适于从控制塔台向处于较接近飞行器的位置中的另一LEO卫星再发射所述信号。
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