CN110914708A - 用于导航和/或大地测量的卫星系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的用于导航和/或大地测量的卫星系统提供有多个MEO卫星，每个MEO卫星具有专用时钟，所述多个MEO卫星以分布式方式布置在轨道平面当中并围绕地球轨道运行，其中多个MEO卫星，特别是八个MEO卫星位于每个轨道平面中。此外，根据本发明的卫星系统设置有多个LEO卫星和/或多个地面站。每个MEO卫星具有两个光学终端，用于通过激光器双向传输光学自由空间信号，其中第一和/或第二MEO卫星分别在同一轨道平面中向前轨道运行，并且第一和/或第二MEO卫星在后面轨道运行。通过所述光学自由空间信号，每个轨道平面的所述MEO卫星的时钟彼此同步，以形成适用于所述轨道平面的轨道平面时间。

Description

用于导航和/或大地测量的卫星系统
本专利申请要求于2017年7月22日提交的德国专利申请10 2017 111 091.7的优先权，其内容通过引用合并于本专利申请。
本发明涉及用于导航和/或大地测量的卫星系统。
当前的卫星导航系统发射射频范围(L波段)内的信号。信号的频率是从原子钟导出的。卫星的轨道和时钟的放置是由地面测量确定的。这些系统也用于大地测量。此外，还开展了一些大地测量的具体任务，如GRACE、GOCE和LAGEOS。
当前的卫星导航系统存在一些缺点。例如，当前的导航系统非常强烈地依赖于复杂的地面基础设施。由于当前卫星导航系统中的单向测量，很难将时间、高度和对流层延迟分开。确定飞行方向上的轨道分量是特别困难的。即使已知的系统也用于大地测量，它们也不是为此目的而配置的。
Plag,HP.,Pearlman,M：全球大地测量观测系统：满足2020年全球社会对变化中的行星的要求，参考文件(V0.18)，国际大地测量协会全球大地测量观测系统IAG/GGO、GGOS2020网页，20.03.2008，http://www.iag-ggos.org/sci/ggos2020/versions/GGOS2020_REF_DOC_V0.18.pdf描述了国际大地测量协会(IAG)全球大地测量观测系统(GGO)的概念(参见第8页左栏第2段)。该全球大地测量观测系统由五个观察平面组成(参见第144页，图70)具有地面站的平面1、LEO卫星的平面2、MEO/GEO卫星的平面3、行星的平面4和类星体的平面5。平面1至3对应于本申请权利要求1中要求保护的系统。对于GGOS概念，建议使用最新的技术，例如，卫星之间的光传输和卫星中的高精度光学时钟(参见第151页左栏第1段)。
Gill,P.,Margolis H.S.,et al.：空间光学原子钟。技术支持文件，国家物理实验室，英国，2008年11月，http://www.npl.co.uk/upload/pdf/atomic_clocks_space.pdf描述了空间应用光学时钟的技术可能性。这里，还提出了光学时钟的使用和通过光学传输的卫星之间的通信(参见第25页，第73页，第3.5.1.3章，第74页，第3.5.1.4章)。
US-A-2016/0065308公开了一种用于光宽带自由空间通信的卫星通信系统。该系统包括具有八个卫星的示例性MEO卫星星座(参见图1)，形成地球波段的相干覆盖(即：公共轨道)。MEO卫星星座的每个卫星都与最近的相邻卫星光学连接，在前后轨道上运行(参见图1，第20段)。该MEO星座的卫星与地面站相连(参见图1，第23段)。还建议将LEO卫星和MEO卫星组合用于该卫星通信系统(参见第27段)。
本发明的目的是提供一种卫星导航系统，其在各个方面得到改进并且还适于在大地测量中使用。
根据本发明，该目的通过用于导航和大地测量的卫星系统来实现，其中该卫星系统设置有：
-多个MEO卫星(高度为10,000千米至30,000千米)，每个MEO卫星包括专用时钟，所述多个MEO卫星以分布式方式布置在轨道平面上并围绕地球轨道运行，其中多个MEO卫星，特别是八个MEO卫星位于每个轨道平面中，以及
-多个LEO卫星和/或多个地面站，
-其中，每个MEO卫星包括两个光学终端，用于通过激光器双向传输光学自由光束信号，其中第一MEO卫星和/或第二MEO卫星分别在同一轨道平面中向前轨道运行，并且第一MEO卫星和/或第二MEO卫星在后面轨道运行，并且
-其中，通过所述光学自由光束信号，所述MEO卫星的时钟在适用于该轨道平面的轨道平面时间对于每个轨道平面彼此同步。
本发明提出了一种用于导航和大地测量的卫星系统，其中使用了多个中地球轨道(MEO)卫星，这些卫星在以分布式方式布置在至少两个、优选三个轨道平面上的同时绕地球轨道运行。在每个轨道平面中定位多个MEO卫星，特别是八个MEO卫星。在每个轨道平面的MEO卫星之间，存在具有光学频率法线(即激光辅助的时基)的相邻卫星的单个或多个光学连接。-因此，如果每个MEO卫星具有腔稳定或谐振器稳定的激光器，其中光学谐振器形成MEO卫星的时基，则可以建立具有极高短期稳定性的高度稳定的系统时间尺度，这是有利的。在中地球轨道中，所述光学自由光束通信不受地球大气的任何影响，因此这不影响轨道平面系统时间的精度。除了在时间上的高精度参考系统之外，根据本发明，还可以利用根据本发明的方案建立用于空间的高精度参考系统，因为轨道是稳定的并且以高精度进行测量。然后可以使用从MEO卫星到LEO卫星以及从这些卫星到地面站或者直接从MEO卫星到地面站的专用光学单独通信链路来建立与地面上的参考系统(在时间和空间上)的同步。与现有技术相比，通过根据本发明的卫星系统，可以以高得多的精度来确定频率和时间同步的精度以及到空间和/或地球上的各种物体的距离测量的精度。
在本发明的有利实施方式中，提供了每个MEO卫星的时钟包括由光学腔稳定的激光器。
在本发明的另一有利实施方式中，可以提供MEO卫星发射用于导航的无线电信号(例如，在L波段或S波段)并通过频率梳将这些信号与高度稳定的光学时钟信号同步。
根据本发明的有利实施方式，可以提供LEO卫星(在400至1,500千米的高度上)和/或地面站配备有导航接收器以接收MEO卫星的无线电信号。
根据本发明的有利实施方式还可以提供，LEO卫星配备有发射机，MEO卫星配备有用于无线电信号的接收机，以执行MEO和/或LEO卫星的双向伪距测量。
根据本发明的另一有利实施方式，可以提供MEO卫星配备有终端，该终端可以分别与LEO卫星中的至少一个和/或地面站中的相应一个对准。
在本发明的有利实施方式中，提供了至少一个LEO卫星承载至少一个光学终端。
根据本发明的有利实施方式，可以提供MEO卫星的各个轨道平面中的轨道平面时间通过使用光学信号和/或无线电波经由LEO卫星和/或地面站同步。
在本发明的另一有利实施方式中，可以提供在LEO卫星上和/或在地面站中操作具有非常高的长期稳定性(在低艾伦标准偏差的意义上)的时钟，并且MEO卫星的时间同步星座用于时间分布。
进一步有利的是，MEO卫星和/或LEO卫星和/或地面站交换关于光学信号或无线电波的测量和/或其他信息。
在本发明的另一有利实施方式中，可以提供，例如，地面站估计LEO卫星和/或地面控制站上的轨道、信号偏移和可选的大气参数，并且经由光学信号和/或无线电波将该信息分发给MEO卫星。
根据本发明的另一有利实施方式，可提供例如，可由加速度传感器确定的LEO卫星的轨道变化能够用于测量地球的重力场。
根据本发明的有利实施方式，还可提供例如，可由每个轨道平面的MEO卫星之间的距离测量确定的MEO卫星的轨道变化能够用于测量太阳的辐射压力。
在本发明的有利实施方式中，如上所述，每个MEO卫星的时钟包括具有光学谐振器的腔稳定或谐振器稳定激光器。
如果MEO卫星以相同的距离或基本上相同的距离绕地球轨道运行，这是进一步有利的，其中该距离在20,000千米和25,000千米之间，特别是23,000千米，同时还有利的是，LEO卫星包括：多个较高轨道的第一LEO卫星，该第一LEO卫星以相同的第一距离或大致为1,000千米到1,400千米，特别是1,200千米的第一距离绕地球轨道运行；以及多个较低轨道的第二LEO卫星，该第二LEO卫星以200千米至600千米，特别是400千米至600千米的相同第二距离绕地球轨道运行。
在本发明的另一个有利实施方式中，可以提供，为了与MEO卫星和地面站通信，LEO卫星包括频率转换器，特别是频率梳，用于将MEO卫星的光学信号转换成地面站的无线电信号，反之亦然。
LEO卫星，特别是(如果存在的话)较低轨道LEO卫星，适宜地适于测量地球重力场，并且为此目的包括腔稳定或谐振器稳定的激光时钟和/或惯性传感器。
进一步有利的是，由于根据本发明的至少短期的、非常高的时间稳定性，可以在公共轨道平面的MEO卫星之间以高精度测量MEO卫星轨道和速度和/或太阳压力。太阳压力的影响表明，一颗在地球轨道上向太阳运行的卫星的运行速度比它离开太阳的速度要慢。由于谐振器稳定的激光器的高度稳定的信号，现在可以测量最小的速度变化并将其用于当前确定MEO卫星的位置。
在本发明的另一有利实施方式中，可以提供的是，通过考虑地球和MEO卫星布置的潜在相对旋转，地面站可以用于利用地面时间参考系统来对MEO卫星的轨道平面时间进行调平，该轨道平面时间由LEO卫星调平。
根据本发明的用于导航和大地测量的卫星系统有利地利用从本发明获得的如下知识：
-谐振器稳定的激光器可以产生比石英稳定的振荡电路更稳定的信号，
-光学时钟(至少在实验室)的稳定性要比现在的原子钟高得多，
-光学信号能够实现比无线电信号显著更好的时间和空间分辨率，
-用作频率转换器的频率梳能够将光学信号转换成无线电信号，以及
-现代且紧凑的惯性传感器能够测量最小加速度，使得它们能够用于测量地球的重力场，其中，为了这个目的，除了根据本发明提供的时钟之外，还可以使用高精度惯性传感器，如Bremen的Braxmaier教授和Hannover的Ertmer教授所提出的。
根据本发明的卫星系统可以应用于当今卫星导航和大地测量的所有区域，但是具有比当前情况显著更高的精度，特别是还作为实时精确点定位(PPP)。
附图示出了根据本发明的卫星系统的结构的示例性实施方式，其中示出了用于MEO卫星和LEO卫星的多个、优选地三个均匀倾斜的轨道平面中的仅一个。此外，还指示了地面站。在附图中，粗略地示出了系统的架构。外部MEO卫星包括腔稳定激光器。这些外部MEO卫星在轨道平面内经由光学双向链路(即，通过已知的时间调平)同步。内部LEO卫星在各个轨道平面的MEO卫星之间建立光学连接并测量导航信号。
因此，该架构由中地球轨道(MEO)部分星座和可选的低地球轨道(LEO)部分星座组成。这些卫星彼此光学连接。这些连接用于同步、距离测量和数据传输。与现有技术相比，主要区别在于：
-光学谐振器在卫星导航中的应用
-这些卫星之间的光学时间传递(测距已经完成)，特别是通过使用相干相位测量
-计算出的每个轨道平面的短期范围内的极端稳定时间
-轨道平面通过LEO卫星或地面的连接
-与LEO轨道上的光学时钟同步
-LEO卫星上的接收器对MEO卫星信号的测量
该系统由三个轨道平面(类似于Galileo或GLONASS)上的MEO卫星和多个低地球轨道(LEO)上的较低轨道卫星组成。MEO卫星的自由运行时基由激光器在光学范围内产生，并通过腔稳定，这导致非常高的短期稳定性。卫星的自由运行时基通过双向激光链路在轨道平面内同步。由于激光链路的巨大时间分辨率，这种同步非常好(绝对测量分辨率在10-12秒的范围内)；可以更精确地比较频率。最多，卫星的振动具有限制效果。以高精度同步的三个卫星平面提供了三次，其优选地经由一个或多个LEO卫星被光学地或双向地调平。这在整个系统中创建了非常严格的同步时间基准。光学双向连接还用于以高精度测量距离并估计太阳压力和卫星轨道。最后，这些连接也用于数据传输。
利用频率梳，将光学时间测量系统的稳定性转换为无线电波。现在无线电波的频率主要在低和中L波段。在这样的波长中，信号容易穿透云并且可以在紧凑的地面接收器中进行处理。然而，同样的信号也由LEO卫星接收和处理以确定卫星轨道和仪器偏移。这是特别成功的，因为信号不通过大气并且因此不被大气篡改。该系统中的整个数据交换可以经由双向光学连接进行，并因此完全在系统内进行。先前描述的单独的卫星系统(即没有地面基础设施)，提供了相对于基于抽象卫星的参考系统的高精度定位的可能性。利用地面基础设施，该参考系统用地面参考系统进行调平。这两个系统之间的旋转主要是关键的。此外，地面基础设施可用于测量大气参数和地球潮汐。来自地面的测量数据可以经由足够的无线连接(现在在C波段中)反馈到卫星系统，使得地面基础设施不需要单独链接。在与卫星(即LEO或MEO卫星)对准的每个位置上的单个C波段天线是足够的，因为可以经由目标卫星处的卫星之间的连接在系统内光学地转发数据(现在在上行链路站处需要多个天线)。
卫星本身携带至少三个光学终端。一个终端朝向在同一轨道平面中向前轨道运行的卫星定向。另一个终端朝向后面轨道上的卫星定向。并且另一个终端是在LEO卫星或地球的方向上向下定向的。第三终端创建到LEO卫星的连接。或者，该终端也可以朝向地球定向。一方面，它用于使轨道同步，另一方面用于确定轨道(MEO和LEO)。上述系统的时基在短时间内是非常稳定的，这对于导航来说是绝对足够的。然而，该系统还可以用于比较地面上的高度稳定的时钟或者向用户提供这种高度稳定的时钟的时间。对于LEO卫星使用高度稳定的时钟并在那里创建世界时间也是特别有趣的。如果这些时钟具有10-18秒的稳定性，则这些时钟就可以用来测量地球的重力场。
LEO卫星的轨道如此之低，以至于它们可以完美地用于测量地球的重力场。除了时钟之外，诸如不莱梅的Braxmaier教授和汉诺威的Ertmer教授所制造的高精度惯性传感器也可用于此目的。
本发明的变型还可以通过以下特征来描述，这些特征可以被描述为在以下组中分组在一起和/或单独地作为实现为以下组的单独特征的示例性实施方式。
1.用于导航和/或大地测量的卫星系统，其具有：
-多个MEO卫星，每个MEO卫星包括专用时钟，所述多个MEO卫星以分布式方式布置在至少两个、优选三个轨道平面上并围绕地球轨道运行，其中多个MEO卫星，特别是八个MEO卫星位于每个轨道平面中，和/或
-多个LEO卫星和/或多个地面站，和/或
-其中，每个MEO卫星包括两个光学终端，即通过激光分别与在同一轨道平面中向前轨道运行的下一个或下两个MEO卫星进行双向自由光束通信的第一光学终端、通过激光分别与在同一轨道平面中后面轨道运行的下一个或下两个MEO卫星进行双向光学自由光束通信的第二光学终端、以及可选地通过激光分别与多个LEO卫星中的一个和/或分别与多个地面站中的一个进行双向光学自由光束通信的第三光学终端，和/或
-其中，由于MEO卫星的光学自由光束通信，其时钟可以针对每个轨道平面同步，并且公共轨道平面的MEO卫星每个都由于根据复合时钟原理的时间调平而提供轨道平面时间，和/或
-其中，LEO卫星和/或地面站将轨道平面时间调平。
2.根据项目1所述的卫星系统，其特征在于，每个MEO卫星的时钟包括具有光学谐振器的腔稳定或谐振器稳定的激光器。
3.根据项目1或2所述的卫星系统，其特征在于，所述MEO卫星以相同的距离或基本上以该距离环绕地球轨道运行，其中，所述距离在20,000千米和25,000千米之间，特别是23,000千米。
4.根据项目1至3中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述LEO卫星包括以相同的第一距离或大致1,000千米至1,400千米、特别是1200千米环绕地球轨道运行的多个较高轨道的第一LEO卫星，以及以200千米至600千米、特别是300千米或400千米至600千米的相同的第二距离环绕地球轨道运行的多个较低轨道的第二LEO卫星。
5.根据项目1至4中任一项所述的卫星系统，其特征在于LEO卫星和地面站，其中，所述LEO卫星包括用于与所述MEO卫星和所述地面站通信的频率转换器，特别是频率梳，用于将所述MEO卫星的所述光学信号转换成用于所述地面站的无线电信号，反之亦然。
6.根据项目1至5中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述LEO卫星包括用于测量地球重力场的腔稳定或谐振器稳定的激光时钟和/或惯性传感器。
7.根据项目1至6中任一项所述的卫星系统，其特征在于，可以使用公共轨道平面的所述MEO卫星之间的光学双向自由光束通信来测量MEO卫星轨道和/或太阳压力。
8.根据项目1至7中任一项所述的卫星系统，其特征在于，通过考虑地球和MEO卫星布置的潜在相对旋转，地面站可用于利用地面时间参考系统对所述MEO卫星的轨道平面时间进行调平，所述轨道平面时间由LEO卫星调平。

Claims (13)

1.一种用于导航和/或大地测量的卫星系统，其包括：
-多个MEO卫星(高度为10,000千米至30,000千米)，每个MEO卫星包括专用时钟，所述多个MEO卫星以分布式方式布置在轨道平面上并围绕地球运行，其中多个MEO卫星，特别是8个MEO卫星位于每个轨道平面中，以及
-多个LEO卫星和/或多个地面站，
-其中，每个MEO卫星包括两个光学终端，用于通过激光器双向传输光学自由光束信号，其中第一MEO卫星和/或第二MEO卫星分别在同一轨道平面中向前轨道运行，并且第一MEO卫星和/或第二MEO卫星在后面轨道运行，并且
-其中，通过所述光学自由光束信号，所述MEO卫星的时钟在适用于该轨道平面的轨道平面时间对于每个轨道平面彼此同步。
2.根据权利要求1所述的卫星系统，其特征在于，每个MEO卫星的时钟包括由光学腔稳定的激光器。
3.根据权利要求1或2所述的卫星系统，其特征在于，所述MEO卫星发射(例如，在L波段或S波段中)用于导航的无线电信号，并通过频率梳将这些信号与高度稳定的光学时钟信号同步。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述LEO卫星(在400至1,500千米的高度上)和/或地面站配备有导航接收器以接收所述MEO卫星的无线电信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述LEO卫星配备有发射机，所述MEO卫星配备有用于无线电信号的接收机，以执行MEO和/或LEO卫星的双向伪距测量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述MEO卫星配备有终端，该终端能够分别与所述LEO卫星中的至少一个和/或所述地面站中的相应一个对准。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的卫星系统，其特征在于，至少一个LEO卫星承载至少一个光学终端。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的卫星系统，其特征在于，所述MEO卫星的各个轨道平面中的轨道平面时间通过使用光学信号和/或无线电波经由所述LEO卫星和/或所述地面站同步。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的卫星系统，其特征在于，
在LEO卫星上和/或在地面站中操作具有非常高的长期稳定性(在低艾伦标准偏差的意义上)的时钟，并且MEO卫星的时间同步星座用于时间分布。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的卫星系统，其特征在于，
所述MEO卫星和/或所述LEO卫星和/或所述地面站交换关于光学信号或无线电波的测量和/或其他信息。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的卫星系统，其特征在于，例如，所述地面站估计LEO卫星和/或地面控制站上的轨道、信号偏移和可选的大气参数，并且经由光学信号和/或无线电波将该信息分发给所述MEO卫星。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的卫星系统，其特征在于，例如，能够由加速度传感器确定的LEO卫星的轨道变化能够用于测量地球的重力场。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的卫星系统，其特征在于，例如，能够由每个轨道平面的所述MEO卫星之间的距离测量确定的MEO卫星的轨道变化能够用于测量太阳的辐射压力。
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